Sieci komputerowe, edukacja i nauka, Informatyka

Sieć komputerowa to połączenie wielu komputerów za pomocą medium transmisyjnego w celu osiągnięcia następujących efektów:
- wymiana informacji pomiędzy połączonymi komputerami,
- udostępnianie użytkownikom zasobów sieci
- podniesienie stopnia niezawodności systemu.
Podstawowe urządzenia sieciowe:
- regeneratory (repeatery),
- huby,
- mosty,
- przełączniki,
- routery.
Regenerator - wzmacnia sygnał, pozwala na łączenie sieci LAN (o takim samym medium transmisyjnym). Stosowany wyłącznie w sieciach LAN.
Hub zwany także koncentratorem jest jednym z urządzeń najczęściej spotykanych w sieciach. Do niego właśnie podłączane są wszystkie kable biegnące od komputerów. Działa jak urządzenie wzmacniające i rozsyłające sygnały ze stacji sieciowych. Nie bada otrzymanej informacji, tylko przekazuje ją dalej. Sygnał wysłany przez komputer dociera do koncentratora, który przesyła go dalej przez wszystkie swoje porty (gniazda). Jest to wada, ponieważ informacja wejściowa, aby dotrzeć do celu, zostaje rozprowadzona po całej sieci, powodując dużo niepotrzebnego ruchu
Most - pozwala na filtrowanie ramek, umożliwia łączenie sieci LAN o odmiennych technologiach.
Przełącznik ogólnie jest urządzeniem sieciowym odbierającym przychodzące pakiety, tymczasowo je przechowujący i wysyłający do odpowiedniego portu. Przełączniki są zbliżone wyglądem do koncentratorów. W przeciwieństwie do nich analizują otrzymane ramki, aby kontrolować ruch w sieci. Uczą się, do którego z portów podłączeni są adresaci informacji, a następnie kierują przesyłanie danych wyłącznie do wskazanych odbiorców. Stosowanie ich w sieci poważnie ogranicza niepotrzebny ruch, gdyż dane nie są rozsyłane do wszystkich portów urządzenia.
Zadaniem routerów jest rozsyłanie informacji, decyzja, gdzie przesłać ramkę, oparta jest na analizie protokołu i adresu sieci. Dokładniej mówiąc, routery łączą co najmniej dwa logiczne segmenty sieci. Kolejną zaletą routerów jest możliwość łączenia różnych sieci opartych na pakietach. Routery są zwykle używane do łączenia sieci Ethernet i Token Ring. Routery odgrywają także ważną rolę w połączeniach WAN. Łącza WAN mają zwykle mniejszą przepustowość niż sieć lokalna ze względu na to, że koszt uzyskania tej przepustowości jest tutaj znacznie wyższy. Ponieważ routery najlepiej filtrują pakiety, są one najlepszymi urządzeniami pełniącymi rolę bram. Routery WAN mogą także operować w warstwach wyższych, wykonując takie funkcje jak kompresja czy szyfrowanie. Czasami routery w takiej konfiguracji nazywa się bramami.

Można wyróżnić następujące rodzaje siec:
- równorzędne (peer-to-peer),
- lokalne (LAN),
- miejskie (MAN),
- rozległe (WAN),
- globalne (np. Internet).
W sieciach typu peer-to-peer nie jest potrzebny serwer. Wszystkie komputery w tej sieci działają na tych samych prawach. Programy znajdują się na każdej z podłączonych maszyn, natomiast za pośrednictwem sieci przesyłane są jedynie potrzebne dane.
Sieć lokalne (LAN - Local Arena Network) jest to sieć obejmująca swoim zasięgiem stosunkowo mały obszar geograficzny i łączący ze sobą stacje sieciowe (stacje robocze, komp. sieciowe, serwery, drukarki i inne urządzenia). LAN umożliwia współdzielny dostęp wielu użytkowników do tych samych urządzeń i aplikacji, wymianę plików, oraz komunikację między użytkownikami.
Wyróżnia się cztery najczęsciej stosowane topologie, czyli sposób wzajemnego połączenia stacji w sieci LAN:
- szynowa (magistralowa),
- pierścieniowa,
- gwieździsta,
- drzewiasta.
Wymienione topologie są strukturami logicznymi technicznie nie muszą być w taki sposób zorganizowane.
Topologia szynowa to konfiguracja, w której wszystkie komputery podłączone są do wspólnego medium transmisyjnego rozprowadzającego w sposób bierny sygnał. Dołączenie lub odłączenie komputera nie wpływa na pracę pozostałych urządzeń w sieci. Maksymalną długość łącza oraz ilość podłączonych stacji definiują normy w zależności od typu łącza. Przy intensywnej transmisji danych może dochodzić do konfliktów. Topologia ta charakteryzuje się niskim poziomem bezpieczeństwa, gdyż wszystkie dane transmitowane są jednym łączem, a więc ich przechwycenie przez nieuprawnionego użytkownika jest wysoce prawdopodobne. Przerwanie medium transmisyjnego (magistrali) powoduje zaprzestanie działania całej sieci, dodatkowo należy nadmienić, że lokalizacja uszkodzeń i błędów transmisji jest stosunkowo trudna.
Topologia pierścieniowa jest strókturą, w której stacje sieciowe są podłączone do okablowania tworzącego pierścień. Dane w układzie krążą w koło, ale tylko w jedną stronę, poszukując adresu przeznaczenia. W porównaniu do sieci szynowej, wzrasta wydajność sieci.
W topologii gwieździstej kable sieciowe są połączone w jednym wspólnym punkcie w którym znajduje się hub lub przełącznik. Topologia ta jest w odróżnieniu od topologii szynowej odporna na uszkodzenia pojedynczych jednostek, lub połączeń z nią. Jej zaletą jest bezpieczeństwo i wydajność.
Topologia drzewiasta jest strukturą podobną do topologii szynowe, z tą rożnicą, że są tu możliwe gałęzie z wieloma węzłami.

Sieci o topologii szynowej i gwieździstej stosowane są w technologii Ethernet. Pojęcie Ethernet nie odnosi się do jednej, lecz do wielu technologii sieci lokalnych LAN, z których wyróżnić należy cztery podstawowe kategorie:
- Ethernet 10 Mb/s (Standard Ethernet), IEEE 802.3
- Ethernet 100 Mb/s (Fast Ethernet),
- 100Base-T (Fast Ethernet Alliance) IEEE 802.3u
- 100VG-AnyLAN (Hewlett-Packard, IBM) IEEE 802.12
- Ethernet 1000 Mb/s (1 Gb/s) (Gigabit Ethernet).
- Ethernet 10 Gb/s (Ten Gigabit Ethernet).
-
Ethernet i IEEE 802.3,
Technologia Ethernet uzywająca modułu CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access Colision Detect) została opracowana w latach siedemdziesiątych w firmie Xerox. Obecnie nazwa ta odnosi się do wszystkich sieci „pochodnych” i korzystających z moduły CSMA/CD. Specyfikację IEEE 802.3 opracowano w 1980r., opierając się na rozwiązaniu Xeroxa. Natomiast wersja 2 specyfikacji Ethernet to już wspólne dzieło firm DEC, Intel i Xerox. Jest ona kompatybilna z IEEE 802.3.
W sieciach tych każda stacja „widzi” wszystkie przepływające ramki. W czasie dowolnej transmisji stacje zainstalowane w sieci muszą sprawdzić, czy przepływająca ramka nie jest wysłana do nich, jako stacji odbiorczej. Przy metodzie dostępu CSMA/CD stacja zamierzająca transmitować może mieć dostęp do sieci w każdej chwili. Przed wysłaniem danych stacja „nasłuchuje” czy w sieci odbywa się ruch. Stacja, chcąc wysłać dane musi czekać do momentu aż do momentu, kiedy w sieci nie ma żadnego ruchu. W sieci mamy do czynienia z kolizją, gdy dwie stacje po stwierdzeniu, ze sieć jest wolna - w tym samym momencie usiłują rozpocząć emisje. W takich okolicznościach obie transmisje zostają unieważnione.

Ethernet 100 Mb/s.
Ethernet 100 Mb/s jest szybką technologią LAN, zapewniającą poszerzone pasmo użytkownikom pecetów, a także pojedynczym serwerom lub farmom serwerów, często ulokowanych w częściach centralnych sieci.

Gigabit Ethernet.
Technologia Gigabit Ethernet jest rozszerzeniem standardu IEEE 802.3. Zapewnia ona przepływność 1000 Mb/s (1 Gb/s) i kompatybilność z urządzeniami sieciowymi Ethernetu i Fast Ethernetu. Gigabit Ethernet umożliwia transmisje w trybie pełnego duplexu (w obie strony jednocześnie) między przełącznikami oraz między przełącznikami a stacjami sieciowymi, a także pracę w trybie półduplexu (w obie strony, ale nie jednocześnie) dla połączeń współdzielonych przy użyciu regeneratorów i metody CSMA/CD. W Gigabit Ethernet jest przewidziane stosowanie przede wszystkim kabla światłowodowego, ale także kabla UTP kategorii 5 oraz współosiowego.

Sieci o topologii pierścieniowej i gwieździstej stosowane są w technologii Token Ring. Technologia ta została opracowana w latach siedemdziesiątych przez IBM. W sieci Token Ring stacje sieciowe podłączone są bezpośrednio do urządzeń MAU (Multi Access Unit), które z kolei są połączone ze sobą tak, by tworzyły jeden duży pierścień. Urządzenia MAU mają wbudowane obejścia umożliwiające pracę pierścienia nawet przy odłączeniu dowolnej stacji MAU. Token Ring stosuje metodę dostępu nazywaną Token-Passing. Metoda ta jest również stosowana w technologii FDDI. W pierścieniu sieci Token Ring krąży mała ramka zwana token (żeton). Stacja sieciowa uzyskuje prawo do transmisji informacji tylko wtedy, gdy posiada token. Jeśli więc dowolna stacja sieciowa przejmuje token, ale w tym momencie nie zamierza transmitować, to przesyła żeton do następnej w kolejności stacji sieciowej. Każda stacja może przetrzymać token tylko przez określony czas. Stacja nadawcza, przy której znajdzie się token, mając informacje do przesłania, zmienia jeden bit w żetonie, dając w ten sposób początek sekwencji startu ramki, dodaje informacje, które chce transmitować, po czym całość wysyła do następnej stacji zainstalowanej w pierścieniu. W czasie, gdy ramka przesuwa się w pierścieniu, nie ma w nim żetonu, co oznacza, że inne stacje, chcąc w tym czasie rozpocząć transmisje, muszą czekać. Oznacza to także, że w sieciach Token Ring nie występują kolizje. Po zakończeniu transmisji generowany jest nowy token.
Ramka informacyjna, krążąca w pierścieniu, osiąga wreszcie stację odbiorczą, która kopiuje ją do dalszego przetwarzania. Ramka kontynuuje dalszą wędrówkę w pierścieniu aż do momentu osiągnięcia ramki nadawczej. Tutaj zostaje usunięta z pierścienia. Stacja nadawcza może sprawdzić, czy ramka dotarła do stacji odbiorczej i czy tam została skopiowana. Sieć Token Ring używa systemu priorytetu zezwalającego stacjom o wysokim priorytecie na częstsze korzystanie z sieci.

Technologia FDDI.
Sieć FDDI (Fiber Distributed Data Interface) to cyfrowa sieć o topologii podwójnych przeciwbieżnych pierścieni. Podobnie jak w sieci Token Ring wykorzystywany jest mechanizm z przesyłaniem żetonu. Informacje mogą być transmitowane w każdej pętli z szybkością 100 Mb/s. Podczas normalnej pracy sieci pierścień podstawowy (Primary Ring) służy do transmisji danych natomiast drugi zwany dodatkowym (Secondary Ring) stanowi połączenie rezerwowe. Standard nie przewiduje wykorzystania drugiego pierścienia w celu zwiększenia przepustowości sieci podczas normalnej pracy. Wykorzystanie światłowodów jednomodowych umożliwia tworzenie sieci o długości magistrali do 200 km, z maksymalną liczbą stacji ok. 1000 (w FDDI węzły sieci nazywane są stacjami).
Specyfikacja FDDI opisuje cztery zasadnicze części:
- Podwarstwa PMD (Physical Medium Dependent Layer) kanału fizycznego - definiują długości fali światła i parametry toru światłowodowego.
- Podwarstwa PHY (Physical Layer Protocol) protokołu warstwy fizycznej - definiuje między innymi sposoby kodowania i dekodowania sygnału, zasadę tworzenia ramki i synchronizację pracy sieci.
- Podwarstwa MAC (Medium Access Control) - opisuje zasady dostępu do medium, format przesyłanych ramek, zasadę obsługi znacznika, sposób adresowania.
- Blok SMT (Station Management) protokołów zarządzania pracą stacji - zapewniający kontrolę działania sieci jako całości, procedury inicjowania pierścienia oraz nawiązywania połączeń w przypadku wystąpienia awarii.
W sieci FDDI można wyróżnić cztery rodzaje urządzeń przyłączeniowych:
- SAS (Single Attachment Station) - rodzaj stacji (tzw. stacja typu B), która nie może być bezpośrednio przyłączona do głównego pierścienia. Stację SAS można przyłączyć wykorzystując koncentrator. Stacje tego rodzaju stosuje się gdy istnieje konieczność zapewnienia łatwości włączania i usuwania stacji z pętli (redukcja kosztów instalacji sieci). Przyłączenie stacji SAS realizowane jest przy użyciu dwóch światłowodów.
- DAS (Dual Attachment Station) - stacja przyłączona do dwóch pierścieni (tzw. stacja typu A). Stacja DAS posiada 2 porty tj. dwie pary obiektów warstwy PMD i PHY, obiekt (lub więcej) MAC, przełącznik CS (Configuration Switch) i obiekt SMT. Stacja, która wyposażona jest w dwa obiekty MAC obsługujące oba pierścienie umożliwia ciągłą transmisję w obu pierścieniach i zwiększenie przepustowości do 200 Mb/s. Przyłączenie tej stacji do sieci wymaga zastosowania czterech światłowodów (Primary In/Out and Secondary In/Out).
- SAC (Single Attachment Concentrator) - koncentrator umożliwiający tworzenie topologii drzewiastej. Jest on podłączony do jednego pierścienia poprzez koncentrator DAC.
- DAC (Dual Attachment Concentrator) - koncentrator przyłączający inne stacje do podwójnego pierścienia. Wymaga zastosowania czterech światłowodów.
Sieć FDDI charakteryzuje się dużą niezawodnością pracy, w przypadku awarii stacji lub uszkodzenia światłowodu pierścień jest automatycznie rekonfigurowany - odpowiedzialny jest za to system zarządzania wchodzący w skład SMT. Podstawowym układem stosowanym do rekonfiguracji sieci jest optyczny układ obejściowy (Optical Bypass) - w momencie awarii stacji lub braku zasilania układ "zamyka" tor światłowodowy, tak aby sygnał ze stacji poprzedniej przechodził bezpośrednio do stacji następnej. Układ jest aktywowany przez uszkodzoną stację lub stację sąsiednią lub przez operatora sieci. Urządzenie obejściowe wprowadza 2,5 dB straty mocy. Innym rodzajem zabezpieczenia jest układ dodatkowego łącza (Dual Homing) - jest to dodatkowe połączenie (Backup Link) wprowadzane w celu zabezpieczenia urządzenia o szczególnym znaczeniu dla pracy sieci. Połączenie aktywowane jest w momencie awarii połączenia podstawowego (Primary Link).
Najnowszą wersję standardu FDDI określa się jako FDDI-2 - jest to hybrydowy system transmisji umożliwiający realizację pierścienia szczelinowego z ramkowaniem. FDDI-2 obsługuje ruch izochroniczny oraz ruch synchroniczny i asynchroniczny, czyli umożliwia przesyłanie obrazów video, sygnałów mowy i danych w jednej sieci, poprzez wydzielenie podkanałów cyfrowych dla połączeń wideofonicznych. FDDI-2 pozwala na utworzenie do szesnastu dynamicznie przydzielanych kanałów szerokopasmowych o przepustowościach 6,144 Mb/s oraz jednego o przepustowości 0,708 Mb/s, zarezerwowanego do celów sterowania oraz obsługi ruchu synchronicznego i asynchronicznego.

MAN - (Metropolitan Area Network) - sieci tego rodzaju budowane są w dużych miastach; charakteryzują się wysoką przepustowością i są używane przede wszystkim przez urządzenia badawcze i w zastosowaniach komercyjnych o nasilonym przepływie danych. Składają się z sieci lokalnych łączonych w różny, zróżnicowany w zależności od potrzeb sposób.

WAN (Wide Arena Network). Jest to sieć rozległa bazująca na połączeniach telefonicznych, złożona z komputerów znajdujących się w dużych odległościach od siebie, np. łącząca ze sobą użytkowników poczty elektronicznej na terenie całego kraju; wymagane jest zaangażowanie publicznej sieci telekomunikacyjnej; sieć rozległa łączy sieci lokalne LAN i miejskie MAN. Rozległe sieci WAN integrują płaszczyznę telefoniczną i informatyczną. Zastosowane muszą być rozwiązania zapewniające szybkość transmisji danych, niezawodność łączy cyfrowych oraz bezpieczeństwo przesyłu danych. W systemie stosuje się urządzenia najnowszej generacji. Sieć przewiduje implementację aplikacji telekomunikacyjnych takich, jak transfer danych komputerowych, wideo konferencje dzielenie plików, przenoszenie połączeń do komputerów znajdującego się poza LAN, do domu, firmy, samochodu i wielu innych miejsc. Do realizacji połączeń dla sieci WAN zastosuje się routery, których zadaniem jest realizowanie pomostu pomiędzy oddalonymi sieciami oraz realizowanie dostępu do Internetu. Bezpieczeństwo routera od strony sieci komputerowej jest nadzorowane przez procedurę autoryzacyjną kontrolującą logowanie użytkowników do urządzenia. Łączność - publiczne sieci telekomunikacyjne PSTN, lub pakietowa PSDN. Łącza: kablowe, światłowodowe, mikrofalowe, satelitarne.

Sieci globalne.
Najpopularniejszą globalną siecią komputerową jest sieć Internet. Składa się ona z setek tysięcy sieci lokalnych używających protokołu komunikacyjnego TCP/IP (Transport Control Protocol / Internet Protocol).