Aktivní síťové prvky
Jak již je uvedeno výše, aktivní prvky jsou takové, které se nějak aktivně podílí na komunikaci v síti. V tomto případě se většinou jedná o sítě lokální a pod pojmem „aktivně se podílet“ si můžeme představit činnosti jako je regenerace, zesílení, oprava či modifikace přenášeného signálu. Z hlediska funkcí můžeme aktivní prvky rozdělit na prvky základní, které zvládají právě to, co bylo popsáno v předchozí větě, a vůbec je nezajímá význam dat. Představitelem této skupiny je například opakovač (repeater). Na druhé straně existují i „chytřejší“ zařízení, která již dokáží interpretovat přenášená data a podle toho také přizpůsobit své chování, např. směrovat data (směrovač = router) nebo je posílat jen do určité podsítě (přepínač = switch) apod..
Jednotlivé aktivní prvky si blíže rozebereme v následujících podkapitolách.
Opakovač (repeater)
Opakovač je nejjednodušší aktivní prvek, který pracuje na nejnižší, fyzické, vrstvě a jeho úkolem je regenerace (tedy zesílení, úprava apod.) přenášeného signálu. Můžeme si ho představit jako jednoduchý digitální zesilovač, kterého zajímají jen jednotlivé pulzy reprezentující přenášené bity, nikoliv jejich význam.
Důvodem k použití opakovačů jsou fyzikální vlastnosti přenosových medií. U každého přenosového média dochází k tzv. útlumu nebo zkreslení přenášeného signálu a je jasné, že po určité vzdálenosti již není možné z přenášeného signálu odečíst, jestli je to bit značící 1 nebo 0. Tato vzdálenost závisí především na druhu přenosového média (koaxiální kabel, kroucená dvojlinka, optický kabel apod.), ale také na charakteru přenášeného signálu a přenosové rychlosti. Více se o těchto vzdálenostech zmíníme v kapitole věnované přenosovým mediím. Dva druhy opakovačů jsou zobrazeny na Obr. 10.
Důležitou věcí, kterou musíme zmínit, je to, že opakovač přeposílá jím přijatý signál do všech k němu připojených segmentů. Tím se může rozšířit tzv. kolizní doména a platí pravidlo, že mezi dvěma uzly mohou být jen dva opakovače.
Existují opakovače jen pro jeden typ přenosového média, ale také speciální typy opakovačů, tzv. převodníky (transceivery), které převádí signál z jednoho typu na jiný (např. koaxiální kabel – kroucená dvojlinka, kroucená dvojlinka – optický kabel apod.) a mohou existovat jako samostatné zařízení nebo jako součást nějakého jiného aktivního prvku.
Rozbočovač (hub)
Rozbočovač je nezbytnou součástí počítačové sítě s hvězdicovou topologií. Jeho úkolem je opět zregenerovat přijatý signál a rozeslat ho na všechny své porty, na které je někdo připojen. Je to v podstatě opakovač s více porty a právě počet těchto portů bývá jedním z parametrů rozbočovače. Nejméně bývají 4, ale zpravidla jich bývá více, vždy v násobku 4 – 8, 16, 24, 32 atd. Není taktéž výjimkou, že mají i různé typy portů pro různé konektory a tím lze kombinovat různé druhy přenosových medií v jedné počítačové síti. Ukázka osmiportového rozbočovače je na Obr. 11.
Jelikož opět pracuje na první vrstvě RM ISO/OSI, je jasná i jeho nevýhoda – jednotlivé segmenty jsou zbytečně přetěžovány přenášenými daty, které mnohdy do daného segmentu ani nepatří. Proto jsou rozbočovače stále méně používány a nahrazují je „inteligentnější“ zařízení typu přepínač (switch), o kterých se zmíníme později.
Most (bridge)
Jestliže předchozí dvě zařízení pracovala na první, fyzické, vrstvě RM ISO/OSI, tak most je již zařízení propracovanější v tom smyslu, že pracuje na druhé, linkové, vrstvě, což dovoluje již provoz v síti redukovat. Pokud přenášená data patří jen do daného segmentu, odkud přišla, tak je most nepustí dále. Rozhodování, jestli poslat nebo neposlat dále most provádí na základě fyzické (MAC) adresy jednotlivých uzlů, kterou si ukládá do svojí RAM paměti a podle postupně přicházejících dat s adresami se postupně učí topologii sítě.
Jak vypadá takový síťový most je vidět na Obr. 12, kde je znázorněn bezdrátový přístupový bod hojně používaný ve Wi-Fi sítích, který může plnit také funkci mostu.
Nevýhodou může být mírné zpoždění právě díky zpracování dat mostem a také cena, která je vyšší než u opakovače. Naopak, výhody můžeme najít ve snížení velikosti kolizní domény, je levnější než router a zpravidla se nemusí konfigurovat. Most je pro protokoly vyšších vrstev transparentní a zmenšuje zatížení sítě.
Přepínač (switch)
Přepínače pracují opět na druhé, linkové, vrstvě RM ISO/OSI a svou funkcí jsou podobné rozbočovačům s tím rozdílem, že přepínač zpravidla propojí jen dvojici portů (to neplatí u vícesměrového a všesměrového vysílání a u tzv. učení), které tak mají k dispozici plnou přenosovou rychlost a data se zbytečně neposílají jiným uzlům.
Přepínače se učí zpravidla automaticky z procházejícího provozu a fyzických (MAC) adres koncových zařízení. K tomuto učení používají tzv. Zpětný učící algoritmus (Backward Learning Algorithm), díky němuž vychází ze své vnitřní tabulky, kde jsou uloženy MAC adresy připojených zařízení a pokud přijdou data pro nějaké zařízení, které tam ještě nemá, chová se jako rozbočovač (pošle je do všech segmentů) a předpokládá, že přijímací zařízení se ozve. Poté si jeho adresu uloží a příště už ví, kam má data poslat. Dva síťové přepínače v provedení do rozvodné sítě jsou na Obr. 13.
Někdy může existovat více než jedna přenosová cesta ke koncovému zařízení a přepínače s těmito smyčkami mají problém – může se stát, že data poputují sítí chaoticky nebo dokonce přijdou k cíli vícekrát, protože přepínač těžko rozeznává, kde se jednotlivý uzel přesně nachází. Tuto nevýhodu přepínače řeší využitím tzv. Spanning Tree Protocolu, při kterém si nejdříve dohodnou minimální kostru sítě dosahující do všech míst tak, aby nevznikly smyčky. Po odpojení některého segmentu se potom hledá cesta nová, což může chvíli trvat.
Rámce se mohou přeposílat systémy:
1. Store and forward – rámec přijmou, uloží si jej do vyrovnávací paměti, prozkoumají hlavičky a až poté odešlou. Tato metoda je nejpomalejší.
2. Cut-through přepínání – redukují nevýhodu předchozího postupu tak, že čtou hlavičku již při přijetí a nečekají na přijetí celého rámce, aby bylo zpoždění co nejmenší.
3. Adaptivní přepínání – kombinace dvou předchozích.
Směrovač (router)
Směrovač, v praxi často také nazýván anglickým názvem router, je nejinteligentnější zařízení z dosud jmenovaných – spojuje sítě na třetí, síťové, vrstvě modelu ISO/OSI a musí znát skutečnou topologii sítě. Na rozdíl od přepínače, který propojuje počítače jen v místní síti, směrovač propojuje jakékoliv dvě sítě. Často se používá v sítích WAN, ale také pro připojení lokální sítě k Internetu. Rozdíl mezi přepínači a směrovači si můžeme pro ilustraci představit tak, že přepínače jsou cesty propojující všechny města ve státě a směrovače jsou hraniční přechody mezi jednotlivými státy.
Směrovač nemusí být samostatné zařízení, ale v malých sítích bývá často jako směrovač používán počítač (zpravidla server) se softwarovou podporou síťování. Ve vysokorychlostních sítích se však již používají speciální počítače se specifickým hardwarem nebo speciální směrovače podporující specializované funkce používané při směrování. V poslední době se začaly objevovat přepínače označované jako „Layer 2/3“, což jsou speciální přepínače, které získaly možnost směrování.
S tímto zařízením velmi úzce souvisí také pojem směrování (angl. routování), což je proces určování cesty informací (datagramů) v síti. Většinou nebývá směrování jen záležitostí směrovačů, ale starají se o něj i koncové stanice při vysílání dat. Jeho hlavním úkolem je zvolit pro data co nejefektivnější cestu doručení. Topologie nebo, lépe řečeno, síťová struktura mezi odesílatelem a příjemcem bývá často velmi složitá a proto se směrování nezabývá celou cestou, ale řeší vždy jen aktuálně jeden krok k dalšímu uzlu. Pokud bychom to chtěli opět přirovnat k cestě autem, jako je uvedeno výše, tak směrování si můžeme představit jako cestu na křižovatku, na které jsou směrové cedule kam jet dále. Pokud chci jet například do Brna, tak se vydám podle směrovky na Brno a v podstatě mě nezajímá, jaká cesta bude následovat a kolik dalších křižovatek mě čeká. Směrovací zařízení má v sobě podobně sadu pravidel (ukazatelů směru), kterými se mají packety předávat směrem k cíli.
Informace, které se využívají při směrování, se ukládají do tzv. směrovacích tabulek (angl. Routing tables) uvnitř směrovacího zařízení. Směrovací algoritmy by měly splňovat několik základních požadavků a to: nalézt správnou cestu, řídit se co nejnižšími režiemi, být relativně jednoduché a také reagovat na případné změny (přerušení, změna trasy apod.). Směrovací algoritmy nejčastěji dělíme na statické a dynamické.
Statické, neboli neadaptivní, směrování neumí reagovat na změny, které se v síti dějí. Vycházejí vždy jen ze statických směrovacích tabulek a je jasné, že tento typ směrování se dá použít jen tam, kde je síť dostatečně stabilní a neměnná, protože jinak je směrování nefunkční. Naproti tomu dynamické (adaptivní) směrování už na změny v síti umí reagovat a případně změnit trasu průchodu informací. Mezi nejčastější změny, které se v počítačových sítích dějí, patří výpadek sítě, změna topologie nebo zvýšená hustota provozu v síti.
Na závěr opět nechybí ukázka směrovačů – viz Obr. 14, kde vlevo je klasický bezdrátový směrovač a vpravo je ukázáno, jak vypadá obdobný směrovač zezadu. Jsou zde jak zásuvky pro připojení WAN (tedy ke zdroji Internetu), tak i porty pro místní LAN síť, napájení a samozřejmě reset nastavení, pokud nastane nějaký problém.
Brána (gateway)
Všechny předešlé zařízení se nezabývala datovým obsahem přenášených informací a mohli tedy propojovat pouze sítě, které do rámců nebo packetů zabalí stejné data. Pro spojení odlišných systémů je ale potřeba rozumět obsahu dat a provádět jejich konverzi. A to je právě úkolem zařízení nazývané brána, které pracuje zpravidla až na nejvyšší, aplikační, vrstvě modelu ISO/OSI. Typickým příkladem může být GSM brána na stránkách mobilního operátora, která převezme data napsaná v prohlížeči, převede je a odešle do GSM sítě jako SMS zprávu pro příjemce. Brána tedy spojuje dvě sítě s odlišnými protokoly. Často se také pojmu brána používá v případě propojení sítě do Internetu v protokolech TCP/IP. Pokud jste někdy zadávali adresu IP ručně, tak jedna z věcí, která se tam musí zadat je také tzv. výchozí brána (angl. Default gateway) – viz Obr. 15, což není nic jiného než adresa směrovače, kterým jste připojeni do sítě.
Síťová karta
Poslední ve výčtu je síťová karta, jakožto speciální aktivní prvek počítačové sítě. Speciální je v tom ohledu, že pokud ji koncové zařízení neobsahuje, tak ho logicky nemůžeme k síti připojit.
Síťová karta, anglicky označována jako Network Interface Card (NIC) je tedy zařízení, které zprostředkovává komunikaci síťového zařízení se samotnou sítí. Nejčastěji bývá již součástí základní desky počítače (integrovaná síťová karta) nebo ve formě zásuvné karty do slotu (např. ISA, PCI, PCI-e, u notebooku PCMCIA, ale také např. USB) v základní desce. Některé druhy síťových karet jsou ukázány na Obr. 16. Karta označená jako A je klasická síťová karta do ISA slotu, kde se síť připojuje pomocí kroucené dvojlinky s koncovkou RJ-45. Karta B je opět do ISA slotu základní desky, ale připojuje se k ní koaxiální kabel s bajonetovou koncovkou. Karta C je PCMCIA síťová karta do notebooku a poslední karta D je USB síťová karta.
Nejobecnější dělení síťových karet je na serverové, u kterých jsou pochopitelně kladeny podstatně vyšší nároky a mívají zpravidla více výstupů a karty do běžných pracovních stanic. Mezi nejčastější parametry síťových karet patří:
1. Typ připojeného média – zde bývá nejčastěji koaxiální kabel, kroucená dvojlinka, optické vlákno, ale také bezdrátová komunikace apod.
2. Typ sítě – do které je karta připojena – nejčastěji Ethernet, Fast Ethernet, Token Ring, Arcnet apod.
3. Rychlost připojení do sítě – ta bývá od 4Mb/s, přes 10 Mb/s, 100 Mb/s až po 1 Gb/s, 10 Gb/s atd.
Každá síťová karta má svoji jedinečnou tzv. MAC adresu, o které si něco povíme v některé z následujících kapitol.