Zobrazit na úvodní stránce článků

Na začátek článku
Titulka > Modul články > Gymnaziální vzdělávání > Sítě pod drobnohledem: internetové proto...

Ikona teoreticky

Sítě pod drobnohledem: internetové protokoly

Ikona odbornost
Autor: Jana Vaňková
Spoluautor: RNDr. Michal Černý
Anotace: Které internetové protokoly by měli žáci na gymnáziu znát? Co je potřebné pro to, aby jejich výuka měla smysl? I to jsou témata, kterým se budeme v následujícím článku věnovat.
Obor příspěvku:Informatika a informační a komunikační technologie
Klíčová slova: internet, web, wifi, IP, TCP, UDP, pop3
Příspěvek může být vzhledem k datu publikace zastaralý. V případě pochybností o aktuálnosti či funkčnosti příspěvku využijte tlačítko „nahlásit příspěvek“.

Protokolů je možné v rámci internetové sítě najít celou řadu a popis jejich vlastností by jistě zabral více než roční universitní kurz. Je přitom zřejmé, že na úrovni gymnaziální má pedagog k dispozici nanejvýše několik málo hodin. Musí tedy velice dobře zvažovat, co z tohoto tématu – dle RVP pro gymnázia povinného – do své výuky zařadit a kde. V následujícím článku se pokusíme naznačit jeden z možných postupů. Důraz se pokusíme klást na systematické pochopení toho, proč je daný protokol důležitý a na které vrstvě ISO-OSI modelu se nachází.

Právě dobré pochopení struktury jednotlivých vrstev fungování internetu je pro výuku protokolů důležité. Pokud si žáci dobře uvědomí základní zákonitosti a souvislosti fungování ISO-OSI modelu, pak bude výuka konkrétních protokolů jen logickou aplikací toho, co už žáci tuší. Budou dobře vědět, kde by měl být protokol, který zajistí určitou funkcionalitu sítě, a učitel pak bude moci spolu s nimi jen doplnit jeho specifické vlastnosti a název.

Osobně se domnívám, že není nutné, aby protokoly byly představeny v nějaké zásadní šíři a hloubce, ale výuka by měla mít dva základní cíle: předně aby žáci pochopili fungování sítě v základních obrysech a pak také, aby dobře znali význam těch protokolů, se kterými se běžně dostávají do styku. Tam, kde je to vhodné, by pak měli také rozumět jejich základním vlastnostem – aby věděli, kdy budovat pomocí Bluetooth lokální síť a kdy je lepší dát přednost třeba WiFi.

V následujícím článku se pokusíme nastínit ISO-OSI model a na něm se zaměříme na jednotlivé protokoly. Nepůjde přitom o plnohodnotný výklad tohoto konceptu, ale jen o ukázku toho, kde se v něm mohou ty které protokoly objevit. Nebude pak samozřejmě chybět ani jejich elementarizovaný popis, který by mohl být pro žáky, zvláště ty přírodovědecky nebo technicky orientované, snadno pochopitelný a přehledný. 

Aplikační a prezentační vrstva

Zřejmě protokolově nejbohatší je pochopitelně aplikační vrstva. Cílem aplikační vrstvy je zajistit komunikaci mezi programy. Na této vrstvě je také nejvíce protokolů, se kterými se žáci běžně setkají. 

DNS (Domain Name System) je hierarchický systém doménových jmen, který je realizován servery DNS a stejnojmenným protokolem sloužícím k výměně informací. Jeho hlavním významem je převod doménových jmen na IP adresu, čímž zajišťují možnost používat URL adresy. Později svoji funkčnost rozšířil o podporu dalších technologií, jako jsou IP telefonie či e-mailová komunikace.

HTTP je bezstavový protokol, který funguje způsobem dotaz-odpověď. Uživatel pošle serveru dotaz ve formě čistého textu, obsahujícího označení požadovaného dokumentu, informace o schopnostech prohlížeče apod. Server následně odpoví taktéž v textové podobě. Jednotlivé dotazy mezi sebou nemají žádnou spojitost. Přenos je primárně nešifrovaný, ale existuje bezpečná varianta HTTPS. Jde o základní protokol internetu, který slouží k obsluze hypertextu. V dnešní době umí již přenášet i jiná data nežli jen čistý text.

POP3  slouží pro stahování e-mailových zpráv ze vzdáleného serveru na klientský počítač a využívá u toho TCP/IP připojení. Jde o poměrně zastaralou technologii, která je postupně nahrazována IMAP. Nevýhodou je, že stahuje všechnu poštu, včetně té, kterou si uživatel nepřál.

IMAP4 je protokol pro vzdálený přístup k e-mailové schránce. Na rozdíl od protokolu POP3 umí IMAP pracovat v tzv. on-line i off-line režimu a nabízí pokročilé možnosti vzdálené správy – od práce se složkami, přes pouhé čtení hlaviček až po manipulaci s poštou přímo na serveru.

SMTP slouží pro přenos zpráv elektronické pošty (e-mailů) mezi přepravci elektronické pošty (jednoduše pro zasílání e-mailů). Protokol zajišťuje doručení pošty pomocí přímého spojení mezi odesílatelem a adresátem; zpráva je doručena do tzv. poštovní schránky příjemce, odkud si ji může pomocí dalších protokolů (např. IMAP4) stáhnout a přečíst. Pokud má uživatel zájem na používání elektronické pošty, musí mít ve svém klientovi nastavenou adresu smtp serveru pro odesílání a imap4 či pop3 pro příjem pošty. Ve webových prostředích je vše zajištěno již provozovatelem služby.

FTP  slouží pro přenos souborů prostřednictvím sítě a je založený na modelu klient-server. Přenos je nešifrovaný, server lze chránit heslem. Využívá protokol TCP z rodiny TCP/IP a postupně jej nahrazuje SSH, který nabízí mj. také šifrovanou komunikaci. 

Protokolů na aplikační vrstvě je samozřejmě ještě mnohem více, přesto si myslím, že pro základní přehled postačí elementární znalost alespoň těchto. Nedávají sice uspokojivou odpověď na to, jak funguje internet, ale jsou natolik frekventované, že by se v nich gymnazista měl bezpečně orientovat.

Je třeba říci, že některé protokoly jsou řazené také do prezenční vrstvy. Snad jediným čistým (významnějším) zástupcem prezentační vrstvy je SMB, který zajišťuje síťovou komunikaci pro sdílený přístup k tiskárnám, souborům, scanerům a dalším zařízením. Nabízí také některé další možnosti pro sdílení zdrojů včetně autorizace. 

Transportní vrstva

Tato vrstva zajišťuje přenos dat mezi koncovými uzly. Jejím účelem je poskytnout takovou kvalitu přenosu, jakou požadují vyšší vrstvy. Rozhoduje se na ní, zda bude přenos dat spolehlivý či nikoliv, řeší problémy s výpadky sítě či optimalizuje přenosovou rychlost. V zásadě lze hovořit o dvou základních protokolech, které vládnou této vrstvě internetu.

TCP zajišťuje spolehlivý přenos dat, to znamená, že cílem je dodání všech odeslaných paketů ve správném pořadí. Hlavní kritérium je tedy doručení, nikoli rychlost. To je typicky požadováno u přenosu souborů, e-mailů, WWW stránek atd. Mimo jiné se tedy stará nejen o doručování a kontrolu toho, zda vše chodí, jak má, ale snaží se také optimalizovat rychlost přenosu. Jde o dominantní protokol na této vrstvě.

UDP je zástupcem klasického nespojovaného přístupu. Používá se tam, kde prim hraje rychlost, a nemá smysl kontrolovat doručení – příkladem může být IP telefonie, video stream či online hry. Doručení správných paketů je zbytečné, neboť by došlo k prodlení, což je silně nežádoucí. Proto se používá rychlejší UDP s tím, že případné chyby jsou odstraňovány softwarově (interpolace, prokládání snímků, snížení kvality atp.). 

Síťová vrstva

Na síťové vrstvě se nachází zřejmě nejdůležitějších protokol – IP. V současnosti existuje ve dvou verzích a to v4 a v6. Je zajímavé si povšimnout toho, že rodiny protokolů vytvářejí právě na síťové vrstvě střed pomyslných přesýpacích hodin. Ať jdeme ze síťové vrstvy na kteroukoli stranu, počet protokolů postupně narůstá.

IP je pro fungování internetu zcela klíčový a věnovali jsme se mu v samostatném článku. Myslím si, že si jisté význačné místo zaslouží i při výuce.

Snad je zde možné jen zmínit podpůrný protokol ICMP, který má na starosti zasílání chybových zpráv či tvorbu cest mezi směrovači, kterým pomáhá tvořit směrovací tabulky. 

Linková vrstva

Na linkové vrstvě (a jejím okolí, jak již to u protokolů bývá) se nacházejí tři důležité skupiny protokolů, které existují v řadě verzí. Osobně si myslím, že právě na této úrovni by mohl také výklad o protokolech užívaných v sítích končit. Žáky je vhodné postavit před otázku, zda si myslí, že je nějaký rozdíl v tom, když je pro přenos dat používán vzduch (pomocí rádiového vysílání) či kabel. Je dobré jim říci některé základní fyzikální vlastnosti těchto dvou odlišných médií.

Na jejich základě se pak přirozeně objeví dvě sítě, které žáci znají velmi dobře a ke kterým patří vlastní RFC a rodiny protokolů. Nevím, zda je nutné zabíhat do detailů a rozdělovat například Wifi na a/b/g/n. Zde je účelné vždy spíše říci, co se více používá a že rozdíl je v přenosové rychlosti a frekvenci. Analogický postup bych navrhoval také u Ethernetu.

Ethernet je souhrnný název pro v současné době nejrozšířenější technologie pro budování počítačových sítí typu LAN.  Běžné síťové protokoly (např. TCP/IP) jsou přenášeny v datové části ethernetových rámců a síťová karta jim sama o sobě nerozumí. Využívá se v něm toho, že je možné současně poslouchat a vysílat. Jako metodu boje proti kolizím se nejčastěji užívá techniky CSMA/CD, která funguje přibližně následujícím způsobem.

  1. Naslouchá, zda je médium (klasicky kroucená dvojlinka) volné. Jestliže není, čeká na jeho uvolnění.
  2. Pokud je volné, zahájí vysílání. Současně s odesíláním rámce naslouchá, zda nepřichází signál od jiné stanice. Pokud ano, došlo ke kolizi. Stanice ukončí vysílání, odešle signál umožňující rozpoznat kolizi také ostatním stanicím.
  3. Vybere náhodné číslo z intervalu a podle něj čeká náhodně dlouhou dobu, než se zase pokusí vysílat. V praxi je omezená doba i nahodilost daného čísla. Je dobré celý model projít se žáky krok po kroku.

Wifi je dnes dominantní protokol pro přenos dat vzduchem a budování malých, lokálních sítí. Používá bezlicenční pásma, což snižuje její cenu. U rádiových vln není možný současný poslech a vysílání (proč?), a proto je třeba použít trochu jiné technologie než u ethernetu. Není možné kolize prostě detekovat, ale je třeba jim předcházet. K tomu se používá CDMA/CA, kterou lze opět popsat ve třech krocích:

  1. Je-li médium volné po určenou dobu, může stanice zahájit vysílání. Pokud je vysílání neúspěšné, zahájí exponenciální čekání.
  2. Pokud je médium obsazeno, počká na jeho uvolnění a následně zahájí exponenciální čekání, stejně jako při neúspěšném odvysílání.
  3. Exponenciální čekání znamená odložený pokus o vysílání. Stanice si náhodně vybere dobu z intervalu, jehož velikost se během opakovaných pokusů zdvojnásobuje; to snižuje pravděpodobnost příští kolize.

Je možné se žáky diskutovat, proč CDMA/CA plýtvá více pásmem než CDMA/CD. Současně je možné se u Wifi zmínit, že má zásadní problém se zabezpečením (je možné projít WPA, WEP, kontrolu MAC adres atp.). Do diskuse by jistě měl patřit popis rozdílu mezi strukturní a ad hoc sítí, které je možné pomocí Wifi budovat. Je také zajímavé poznamenat, že zatímco Ethernet i Wifi přenechávají vyšším vrstvám většinu funkcionality, třetí významný protokol Bluetooth si řadu služeb zajišťuje sám.

Bluetooth je tedy poměrně komplexní protokol, který se primárně nestará o připojení počítačů na internet (i když i to umí), ale je určený na propojení počítačů, telefonů a dalších zařízení na krátkou vzdálenost. Klasickými příklady může být komunikace tiskárny a počítače nebo mobilního telefonu a bezdrátového sluchátka. Podobně jako u Wifi jde o bezdrátovou technologii, která je navíc silně orientována na nižší spotřebu. Využívá konceptu master-slave; v síti je jeden význačný prvek (téměř náhodné zařízení) a ten celou síťovou komunikaci řídí. To ji dělá přehlednou a dobře organizovanou, ale také poměrně pomalou, co se přenosové rychlosti týče. Bluetooth se sám stará o komunikaci uvnitř sítě, řeší zabezpečení, přenos souborů atp. Je vhodný například tam, kde chceme rychle a jednoduše ustanovit síť s malou spotřebou – komunikace dvou mobilních telefonů, sluchátka atp.

Závěr

Jistě se nám nepodařilo ani v nejmenším postihnout bohatou rodinu protokolů, které se v oblasti počítačových sítí používají. Přesto se domnívám, že pro základní přehled by měl tento výčet žákům dobře posloužit k tomu, aby se v problematice počítačových sítí vyznali. Je na zvážení, do jaké míry by měli rozumět ISO-OSI modelu a měli znát všechny přesahy protokolů. Například u Bluetooth jde skutečně o poměrně velký přesah referenčního rámce dané vrstvy. Přesto jistě nějaké opodstatnění tento model má a přivádí žáky k poznání toho, jak internet funguje. V případě, že to ŠVP umožní, nebude na škodu se podívat na to, jak vypadají pakety na jednotlivých vrstvách nebo kde všude se uplatňují bezpečnostní prvky. Nějaký zevrubnější popis by ale úvahy nad protokoly zřejmě posunul do roviny universitního kurzu, což není na gymnáziích příliš žádoucí.

Anotované odkazy:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné anotované odkazy.
Přiřazené DUM:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné DUM.
Přiřazené aktivity:
Příspěvek nemá přiřazeny žádné aktivity.
V případě pochybností o aktuálnosti či funkčnosti příspěvku využijte tlačítko „nahlásit příspěvek“.
Nahlásit příspěvek
INFO
Publikován: 02. 11. 2011
Zobrazeno: 5630krát
Hodnocení příspěvku
Hodnocení týmu RVP:
Hodnocení článku : 2.6667

Hodnocení uživatelů:
Hodnocení článku :
Hodnotit články mohou pouze registrovaní uživatelé.

zatím nikdo Hodnocení článku : 5
zatím nikdo Hodnocení článku : 4
zatím nikdo Hodnocení článku : 3
zatím nikdo Hodnocení článku : 2
zatím nikdo Hodnocení článku : 1
Jak citovat tento materiál
VAŇKOVÁ , Jana . Sítě pod drobnohledem: internetové protokoly. Metodický portál: Články [online]. 02. 11. 2011, [cit. 2020-06-06]. Dostupný z WWW: <https://clanky.rvp.cz/clanek/c/G/13905/SITE-POD-DROBNOHLEDEM-INTERNETOVE-PROTOKOLY.html>. ISSN 1802-4785.
Licence Licence Creative Commons

Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons.


Komentáře
1.Autor: Recenzent1Vloženo: 02. 11. 2011 10:54
Článek úvádí výstižný přehled internetových protokolů a nastiňuje učivo, se kterým by se měl gymnazista seznámit. Upřednostňuje význam některých protokolů vzhledem k aktuálnosti použití. Článek je přínosný.
Vložit komentář:

Pro vložení komentáře je nutné se přihlásit.