Zobrazit na úvodní stránce článků

Na začátek článku
Titulka > Modul články > Gymnaziální vzdělávání > Úvod do počítačových sítí

Ikona teoreticky

Úvod do počítačových sítí

Ikona odbornost
Autor: Jana Vaňková
Spoluautor: RNDr. Michal Černý
Anotace: Počítačové sítě zajišťují možnosti komunikace mezi více počítači a jsou dnes považované za zcela přirozenou službu, kterou ICT poskytuje. V následujícím článku se pokusíme přiblížit, co je možné o počítačové síti prozradit žákům gymnázia.
Téma příspěvku:Informační a komunikační technologie
Klíčová slova: internet, IP, protokol, TCP, sítě, ISO-OSI, LAN, WAN, MAN, WiFi
Vazby článku:
Tento článek navazuje na téma článku: Co by měl žák vědět o IPv6?
Příspěvek může být vzhledem k datu publikace zastaralý. V případě pochybností o aktuálnosti či funkčnosti příspěvku využijte tlačítko „nahlásit příspěvek“.

Téma počítačových sítí je možné pojmout z mnoha stran. Poněkud nepříjemné je, že podle RVP pro gymnázia nemá být výklad zaměřen na různá rozdělení, ale spíše na pochopení, jakým způsobem věci fungují. Přitom právě v oblasti počítačových sítí je možné říci, že se různých rozdělení nabízí nespočet. Proto se pokusíme v následujícím výkladu oba přístupy spojit tak, aby byl výklad přehledný, pochopitelný a přitom nebyl jen přehledový a nabízel možnost nahlédnout pod pokličku toho, jak počítačové sítě fungují.

Hned na počátku je nutné předeslat, že se již nebudeme věnovat protokolům, které jsme relativně podrobně diskutovali v samostatném článku, a že řadu zajímavých věcí ponecháme stranou, neboť se domníváme, že základní kurz přesahují – ať již složitostí nebo časovou náročností. Článek je tak možné vnímat jako inspiraci pro to, jakým způsobem je možné k výuce počítačových sítí přistupovat, dost možná poněkud netradičním způsobem. 

Úvodem

Počítačové sítě vznikaly již od šedesátých let dvacátého století a jejich význam není těžké vysledovat. Měly zajistit jednak vzájemnou komunikaci mezi počítači, ale také možnost distribuovaných výpočtů. Stejně jako dnes je řada problémů, které vysoce převyšují možnosti výkonu jednoho počítače či serveru a pro které se hodí využít desítek či stovek počítačů po celém světě. Z vědeckých projektů jsou takto zpracovávána data například z CERNu, mezi běžnými uživateli jsou populární projekty jako je SETI@Home atp.

Přes poměrně velkou rozmanitost počítačových sítí je možné říci, že velkou část provozu obstarává kombinace protokolů TCP a IP. Takto budované sítě mají spojovaný charakter díky službám TCP a samotné doručování paketů a směrování je řešeno pomocí IP, které je v současnosti ve verzi 4 stále zcela dominantní. Na tomto místě je dobré říci, že internet je v mnohém podobný tomu, jaký byl při svém vzniku – je nezabezpečený v drtivém množství provedené komunikace. Pokud bychom se chtěli podívat na strukturu sítí z hlediska vnitřní organizace, pak by bylo možné rozlišit dva základní modely – Peer to peer a Klient-server, na které se nyní podíváme podrobněji.

Peer to peer (P2P) model, jak již název napovídá, je založený na modelu komunikace rovného s rovným. Žádná z komunikačních stanici nemá žádné privilegované postavení, nikoho neřídí. Jde tedy o spojení uzlů sítě s podobnými právy. Klasickým příkladem mohou být počítače v domácí počítačové sítí, sítě na stahovaní souborů pomocí torrentů atp.

Na zcela jiném konceptu stojí Klient-server model. Na jedné straně jsou zde koncové uzly (klienti) a pak je zde jeden či několik málo řídicích stanic (server). Druhý jmenovaný typ zařízení do značné míry může síť řídit, nebo alespoň nabízí zvláštní paletu služeb, které jsou poskytovány klientům. Příkladem může být klasický přístup na webový server – klient zašle požadavek, že by rád viděl určitou stránku, a server mu pošle příslušnou odpověď, kterou webový prohlížeč interpretuje jako konkrétní web. Na tomto modelu jsou postavy téměř všechny větší lokální sítě, internet, FTP server, tiskový server atp.

Nyní je třeba se žáky pečlivě zvážit, která jsou výhody a negativa jednotlivých modelů. K P2P je jako pozitivum možné uvést například robustnost, lepší vyvážení sítě, nepotřebnost řídicího serveru, větší odolnost proti výpadkům atp. Nevýhodou je obtížné směrování a organizace a nepřítomnost někoho, kdo na sebe vezme roli poskytovatele služeb. Klinet-server model je náchylný na výpadky serveru, může mít problém s rovnoměrným využitém zátěže linek nebo s bezpečností. Výhodou je naopak snadné směrování, upgrade služeb, jednodušší údržba atd. Také je dobré se zmínit o tom, že mohou existovat hybridní sítě, které kombinují oba přístupy. 

Různé velikosti, různé požadavky

Je zajímavé sledovat nejen výstavbu sítí z pohledu organizační struktury, ale také z pohledu rozsáhlosti sítě. Je na první pohled jasné, že zcela jiné požadavky budou kladeny na síť, kterou tvoří jeden počítač, jeden mobilní telefon a tiskárna, a zcela jiné parametry bude muset splňovat síť s tisíci uzly. Jednotlivé parametry je možné s žáky diskutovat a téměř jistě se dobereme ke správným závěrům.

U malých sítí není třeba řešit směrování, mobilitu a další parametry. Vše je možné nastavit ručně, optimalizovat pro danou situaci. Nepotřebujeme složité algoritmy pro směrování, adresování stanic atp. Cílem je to, aby síť byla co nejrychlejší, nejjednodušší. Oproti tomu ve velkých sítích je třeba dobře řešit směrování, zajistit podporu mobility, odolnost proti výpadkům, ... Z tohoto kontextu je zřejmé, že je žádoucí mít více druhů sítí podle velikosti, které budou disponovat rozličnými mechanismy fungování, které budou právě jejich rozsáhlosti odpovídat.

PAN (Personal Area Network) představuje model tzv. osobních sítí, tedy těch zcela nejmenších. Obecně jde o propojení několika málo počítačů, telefonů a případně dalších zařízení. Dosah takových sítí bývá zpravidla v jednotkách metrů – pracovní stůl, malá domácnost. Typicky jsou používané technologie například Bluetooth, ZigBee, IrDA, někdy se také mluví o USB sítích.

LAN (Local Area Network) označuje již rozsáhlejší počítačovou síť, která pokrývá malé území s dosahem desítek až stovek metrů. Přenosové rychlosti jsou vysoké, řádově ve stovkách MB/s či Gb/s. Nejrozšířenějšími technologiemi v dnešních LAN sítích jsou Ethernet a Wi-Fi. Je již třeba ošetřit kolize, zajistit základní směrování (statické) atp. Součástí sítí bývají již roter či switch a je obvyklé, že tato síť je propojená s internetem. V těchto sítích je již smysluplné používat pokročilejší prvky, jako jsou VLAN či VPN pro dělení sítě na menší logické části.

MAN (Metropolitan Area Network) je síť propojující lokální sítě v městské zástavbě, slouží především pro přenos dat, zvuku a obrazu, spojuje vzdálenosti řádově jednotek až desítek kilometrů, je optimalizována pro stovky či tisíce přijímačů. V praxi ji využívají jen velké firmy, například pro propojení různých poboček nebo celých budov počítačovou sítí.

WAN (Wide Area Network) jsou sítě umožňující komunikaci na velké vzdálenosti. Bývají obvykle veřejné, ale existují i privátní WAN sítě. Jde ještě o rozlehlejší sítě než MAN a klasickým zástupcem této kategorie je Internet, který obsluhuje miliardy uzlů. Mezi používané technologie patří známé ISDN, WiMax, ATM a další.

Jak je vidět, základních schémat je poměrně velké množství. Mezi uživateli je zřejmě nejrozšířenější představa LAN a internetu jako klasického zástupce WAN. O dalších sítích se ne vždy zcela přesně uvažuje. Většina bere PAN za něco zcela přirozeného a nesíťového, o telekomunikačních sítích či bezšňůrové telefonii není na tomto místě třeba mluvit. Důležitější než jednotlivá označení by si žáci měli odnést představu o tom, že sítě je třeba různě nastavit v závislosti na rozsáhlosti. Žák by měl být schopen vyjmenovat alespoň základní prvky těchto diferencí a měl by se orientovat v základních technologiích, které jsou zcela běžné – tedy měl by být schopen říci, kdy je výhodnější Bluetooth, Wifi a když ISDN. 

 ISO-OSI model – vrchol výkladu 

Vrcholem výkladu by mohl být referenční model ISO-OSI. Jistě zde mohou být přítomné námitky, že jde jen o abstrakci, která je v praxi pramálo dodržována, je již překonaná atp. Osobně se ale nedomnívám, že by to musela být pravda. Jistě je možné se na tomto místě pustit do konkrétního popisu určité sítě, ale žák nezíská patřičný nadhled, abstrakci problému a celistvost. Myslím, že na ISO-OSI modelu se lze naučit mnohé o tom, jak fungují sítě, a vše ostatní pak již bude jen aplikace známých věcí. Proto by měl mít v gymnaziálním kurzu své místo. My se zde nebudeme příliš zmiňovat o protokolech, neboť ty jsme již diskutovali v samostatném článku.

Pokud jde o samotnou strukturu modelu, pak je možné říci, že mezi vyšší vrstvou využívá vždy služeb o jedno patro nižší. Co je pod ní, již nemusí brát v potaz, což je velice silné technologické zjednodušení. Jednotlivé vrstvy mezi sebou komunikují pomocí protokolů v rámci jednoho „patra“, vertikální komunikaci zajišťují rozhraní. Po tomto krátkém úvodu se již můžeme zaměřit na činnost jednotlivých vrstev.

ISO-OSI model: analogie s poštou

ISO-OSI model: analogie s poštou
[online] [cit. 2011-11-22]. Dostupný pod licencí GNU Free Dokumentation License na WWW: <http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Rm-osi_parallel_cs.svg>

Fyzická vrstva je tím, co si většina lidí představí pod pojmem fyzické zařízení sítě. Jejím úkolem je navazování a ukončování spojení s komunikačním médiem, správa a organizace elektromagnetických signálů. Jejich modulace a demodulace, převod dat z počítače do fyzického média atp.

Spojová vrstva má na starosti základní logickou organizaci sítě – umožňuje spojení dvou sousedů, buduje okruhy, detekuje a opravuje chyby. Má na starosti zprávu fyzických adres (MAC) nebo zařizuje přepínání kruhů. Pracují pod ní zařízení, jako jsou mosty či přepínače, a klasickou ukázkou protokolu je Ethernet.

Síťová vrstva je již podstatně zajímavější a je možné o ní říci podstatně více než o prvních dvou. Stačí, když si žáci uvědomí, že jde o vrstvu, která pracuje s IP a má na starosti směrování. Zajišťuje tedy hledání adres mezi uzly, směrování paketů, připojování nových uzlů do sítí atp. V nových variantách je to ona, která ponese velkou část bezpečnostních záruk nebo třeba podporu mobility.

Pokud budete mít čas, je možné se právě této vrstvě věnovat poměrně podrobně a přemýšlet se žáky o tom, jak je možné připojit uzel do sítě, říci něco o stavové a bezstavové konfiguraci; či prostě o tom, jak je navazován kontakt mezi uzlem a směšovačem. Na tomto místě je možné se také dotknout otázky topologie sítě.

Transportní vrstva poměrně těsně navazuje na síťovou. Jejím účelem je zajistit komunikaci a přenos dat mezi dvěma uzly. To může být realizováno jako spojovaná služba (via TCP) nebo best effort (pomocí UDP). Tato vrstva tedy může zajišťovat parametry dodání – spolehlivost, rychlost, dodržení pořadí paketů, ... Z pohledu technického je třeba ošetřit také problém spravedlnosti – tedy jak zajistit, aby síť byla efektivně využívána a přitom bylo možné do sítě připojovat libovolné (přiměřeně) množství stanic.

Relační vrstva zajišťuje služby, které se týkají jednotlivých spojení. Dnes zřejmě nejčastěji zajišťuje bezpečnost (přes SSH), ale dovoluje také provádět synchronizaci času a dat, vyměňovat si oznámení o mimořádných událostech atp. Tato vrstva rovněž zajišťuje přístup k souborům, datům či periferiím uvnitř lokálních sítí.

Prezentační vrstva je dnes již poměrně umělá. Jejím cílem je transformovat data do formy, kterou může používat aplikační vrstva, a přitom může využívat služeb relační vrstvy. Jde jí o strukturu dat, nikoli o jejich význam. Pěkným příkladem může být třeba http protokol či HTML jazyk.

Aplikační vrstva zajišťuje aplikacím přístup ke komunikačnímu médiu. Patří pod ní podpora vzdáleného přístupu, serverových služeb (DNSRAARP, …), e-mailové komunikace a mnoho dalšího.

Nad touto vrstvou jsou pak již jednotlivé aplikace, které využívají služeb sítě, a samozřejmě uživatel. Pokud se k jednotlivým vrstvám připojí komentář s protokoly, je možné žáky přivést k solidní představě o tom, jak vypadají a pracují počítačové sítě.

Závěr 

Jistě zde budeme stát před otázkou, co by bylo vhodné o sítích ještě říci. Zcela jistě bude třeba věnovat prostor bezpečnosti, která se zde přirozeně nabízí ve spojení s útoky na servery, kyberterorismem a dalšími tématy. Jistě by bylo možné mluvit o specifikách privátních sítí a sítí veřejných nebo se podívat na základní rozdíly mezi vlněnou a voděnou sítí. To vše ale může stát například v diskusích o ISO-OSI modelu na úrovni fyzické a spojové vrstvy.

Téma počítačových sítí je velice bohaté, zajímavé a velmi praktické. Žáci s nimi pracují denně, a proto by se jim měl v hodinách ICT jistě věnovat náležitý prostor. Otázkou do didaktických diskusí pak bude, zda jít také do oblasti komunikačních služeb, jako jsou mobilní technologie (GSM, EDGE, GPRS, …), anebo se v hodinách informatiky držet jen klasických počítačových sítí. Osobně si myslím, že přesah by nebyl marný, neboť oba technologické přístupy poměrně rychle konvergují.

Citace a použitá literatura:
[1] - Rm-osi parallel cs.svg. 2007. [cit. 2011-10-27]. Dostupný z WWW: [http://cs.wikipedia.org/wiki/Soubor:Rm-osi_paralle...].  
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: 28. 11. 2011
Zobrazeno: 6954krát
TOP příspěvek
Hodnocení příspěvku
Hodnocení týmu RVP:
Hodnocení článku : 4.3333

Hodnocení uživatelů:
Hodnocení článku : 5
Hodnotit články mohou pouze registrovaní uživatelé.

1 uživatel 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 . Úvod do počítačových sítí. Metodický portál: Články [online]. 28. 11. 2011, [cit. 2020-03-28]. Dostupný z WWW: <https://clanky.rvp.cz/clanek/c/G/14027/UVOD-DO-POCITACOVYCH-SITI.html>. ISSN 1802-4785.
Licence Licence Creative Commons

Všechny články jsou publikovány pod licencí Creative Commons.


Komentáře
1.Autor: Recenzent1Vloženo: 28. 11. 2011 09:00
Článek se zaobírá tématem, které najdeme i v "Katalogu požadavků zkoušek ke společné části maturitní zkoušky z informatiky pro vyšší úroveň obtížnosti" v tématu "2.3 Struktura datových sítí a přenos dat". Nicméně obsah článku překračuje poptávané požadavky. To však neznamená, že je hloubka prezentovaných informací nadbytečná. Ba právě naopak - ukazuje, že (nejen) v rámci gymnaziálního vzdělávání je vhodné a užitečné jít do větší hloubky, pokud to podmínky na škole umožní. Materiál je sestaven tak, aby byl vhodným teoretickým podkladem pro výuku či samostudium.
Vložit komentář:

Pro vložení komentáře je nutné se přihlásit.