Základy počítačových sítí

Probereme nyní vývoj sítě Ethernet. Původní verze standardu, nazývané tlusté sítě (tzv. tlustý Ethernet) a tenké sítě (tzv. tenký Ethernet), měly ve srovnání s dnešními možnostmi jen málo funkcí. Starší verze fungují na měděném přenosovém médiu (koaxiální kabel). Používají fyzickou topologii sběrnice, která se vyznačuje tím, že všechna zařízení jsou připojena ke společnému médiu. Řešení vyžaduje řízení přístupu k médiu, které je implementováno pomocí přístupu CSMA/CD.

Po mnoha letech používání řešení založených na topologii sběrnice jako přenosového média se ukazuje, že toto řešení již není dostatečně účinné. Rychlý růst sítě vede ke stále vyšším nárokům uživatelů na šířku pásma a spolehlivost. Místo koaxiálních kabelů se hojně používají kroucená dvojlinka, kabely UTP a nové topologie. Objevily se hvězdicové topologie, stejné, jaké se používají dnes, ale místo přepínačů se jako centrální bod sítě používají rozbočovače. O přepínačích tehdy nikdo neslyšel.

Použití rozbočovačů do jisté míry zlepšilo výkon počítačových sítí, ale brzy se ukázalo, že ani toto řešení není ideální. Základní vlastností rozbočovače je, že přenáší data do všech zařízení, která jsou k němu připojena. Funguje to takto, počítač, který chce odeslat data jinému zařízení, komunikuje prostřednictvím rozbočovače. Ten naopak není tak chytrý, aby přenášel data do příslušného zařízení, ale jednoduše je posílá všem připojeným zařízením.

Pouze zařízení, kterým jsou data zasílána, analyzují adresování, aby určila, zda jsou příjemci. Pokud nejsou příjemci, údaje ignorují, a pokud jsou, interpretují je.

Tento typ řešení znamená, že ačkoli fyzická topologie je hvězdicová, logicky je podobná topologii používané v předchozí generaci sítě Ethernet. I zde se používá metoda přístupu ke spoji založená na CSMA/CD, která se stala neefektivní v důsledku rychlého růstu sítě. Každý rozbočovač navíc vytváří tzv. kolizní doménu.

Čím více zařízení je k rozbočovači připojeno, tím větší je kolizní doména, a čím větší je kolizní doména, tím větší je pravděpodobnost kolizí, což omezuje propustnost a vytváří požadavky na časté opakované přenosy dat. Více kolizí není jediným problémem spojeným s používáním rozbočovačů. Mezi další nevýhody těchto zařízení patří omezená škálovatelnost a zvýšené zpoždění při přenosu dat, mimo jiné díky výše zmíněným otřesům.

Snahy o odstranění nedostatků Ethernetu založeného na rozbočovačích pokračovaly v průběhu let až do vynálezu inteligentního síťového zařízení zvaného přepínač, který vyřešil problémy, jež trápily dřívější verze Ethernetu.

Přepínače v počítačových sítích se používají dodnes a nic nenasvědčuje tomu, že by se to mělo v dohledné době změnit. Proč jsou tato zařízení tak oblíbená a proč jsou tak chytrá? Na rozdíl od rozbočovače neodesílá přepínač data všem zařízením, která jsou k němu připojena, ale pouze konkrétnímu zařízení, pro které jsou data určena, čímž samozřejmě obchází vysílání, jako je například dříve zmíněný přenos ARP. Mezi portem přepínače, ke kterému je zařízení připojeno, a samotným zařízením existuje logická topologie bod-bod. Data odeslaná do konkrétního zařízení jsou odesílána pouze do něj.

Použití přepínače téměř zcela eliminuje riziko kolizí, protože zařízení mezi sebou nemusí soupeřit o přístup k médiu. Zároveň je omezena velikost kolizní domény, protože takovou doménu tvoří pouze porty přepínače a k němu připojená zařízení. Výhod přepínačů je mnohem více. Každé zařízení připojené k portu přepínače má k dispozici vyhrazenou šířku pásma. Pokud například přepínač nabízí přenosovou rychlost 100 Mb/s, bude tato šířka pásma k dispozici každému zařízení, které je k němu připojeno.

V případě rozbočovače je tato šířka pásma sdílena mezi všemi zařízeními. Pomocí přepínače lze data přenášet i v plně duplexním režimu, což znamená, že připojená zařízení mohou přijímat a odesílat data současně.

V současné době se používá několik verzí standardu Ethernet. Nejpopulárnější z nich je standard nabízející nominální propustnost až 100 Mb/s, známý jako standard FastEthernet. Přenos v tomto standardu probíhá pouze po 2 měděných párech namísto 4 kroucených párů. Jedná se o běžné řešení používané v mnoha počítačových sítích. 

Ve většině případů splňuje požadavky počítačových sítí.

Standard Gigabit Ethernet lze použít v případě, že se požadavky na šířku pásma sítě zvyšují s množstvím přenášených dat. Nominálně poskytuje propustnost 1 Gb/s. Při použití standardu 1000BASE-T se pro přenos používají všechny měděné kroucené páry. Tato verze Ethernetu se používá ve velkých místních sítích, které používají VoIP a přenášet velké množství různých typů médií.

Pomocí standardu Ethernet lze data přenášet také po optických vláknech, v takovém případě se standard gigabitového Ethernetu nazývá 1000BASE-SX nebo LX. Existují také standardy Ethernetu, které umožňují komunikaci rychlostí 10 nebo dokonce 100 Gb/s. Používají se hlavně v metropolitních a rozsáhlých sítích, protože jejich implementace je velmi nákladná a málokdo si může dovolit používat tento typ řešení v místní síti. V následující tabulce jsou uvedeny nejrozšířenější verze standardů Ethernet a přenosové médium, které používají:

Výše popsané přepínače používají k přenosu dat mezi zařízeními připojenými k portům přepínače adresy MAC. Každý přepínač má něco, čemu se říká tabulka adres MAC. Nejedná se o nic jiného než o soubor informací, které určují, které zařízení, respektive MAC adresa kterého zařízení, je připojeno k určitému portu. 

Záznamy v takové tabulce jsou přidávány dynamicky, nikoli správcem. Přepínač načte informace uložené v tabulce během procesu učení. Přepínač z přijatého rámce přečte zdrojovou adresu MAC, přidá ji do své tabulky a přiřadí číslo portu, na kterém rámec přijal. Pokud naopak neví, komu má takový rámec poslat, protože v tabulce MAC adres příjemce není žádný záznam, nastane proces zvaný zahlcení.

To lze přirovnat k vysílání, protože rámec je odeslán všem zařízením kromě odesílatele. Zařízení, kterému není rámec adresován, jej zahodí, zatímco přijímající zařízení odpoví a odešle rámec přepínači. Přepínač přečte z rámce adresu MAC odesílatele a uloží ji do své tabulky. Celý proces učení a zaplavování je zobrazen ve výukovém videu.

Rámec Ethernetu

Vzhledem k tomu, že standard Ethernet pracuje na druhé vrstvě modelu OSI, můžete hádat, že vytváří také své rámy. Samozřejmě ano, Ethernet zapouzdřuje svůj vlastní rámec, který se nazývá ethernetový rámec. Níže si můžete prohlédnout příklad rámečku:

Velikost pole v bytech	7	1	6	6	2	46 - 1500	4
Název pole	Preambule	Značka začátku snímku	Adresa MAC příjemce	Adresa MAC odesílatele	Délka/typ	Data a plnění	Řídicí kód rámce (FCS)

- Preambule a značka začátku rámce - tato pole slouží k informování cílového zařízení, že je připraveno přijímat rámce;

- Cílová adresa MAC, což je fyzická adresa příjemce rámce;

- Zdrojová adresa MAC, což je fyzická adresa odesílajícího hostitele;

- Délka/Typ - pole délka určuje velikost rámce, zatímco typ určuje protokol používaný vyššími vrstvami, z nichž nejběžnější je IPv4;

- Data - jedná se o paket přijatý ze síťové vrstvy. Minimální velikost tohoto pole musí být 46 bajtů a maximální velikost musí být 1500 bajtů. Pokud je paket menší než 46 bajtů, je doplněn náhodnými daty, aby se velikost celého rámce zvětšila na požadované minimum, což je maximálně 64 bajtů.

- Kontrolní kód rámce - pole obsahující kontrolní součet rámce, který slouží k detekci případných chyb rámce. Zařízení odesílající data vypočítá kontrolní součet a vloží jej do rámce, příjemce dat po přijetí dat rovněž vypočítá kontrolní součet; pokud jsou oba kontrolní součty správné, je rámec přijat, pokud se liší, je rámec považován za poškozený a odmítnut.

Celková velikost rámce může být až 1518 bajtů (při výpočtu velikosti rámce se nezohledňuje preambule a začátek signálu rámce). K dispozici je také rámec Ethernet s maximální délkou 1522 bajtů. Takové rámce se používají ve virtuálních sítích LAN, v tzv. VLAN.