Sieci komputerowe odc. 1 - Podstawy sieci

Wprowadzenie do kursu sieci komputerowych

Powitanie i cel kursu

• Damian Stelmach wita widzów, informując o zakończeniu wakacji i powrocie do pracy.

• Kurs skierowany jest głównie do uczniów technik informatyk oraz technik teleinformatyk, przygotowujących się do kwalifikacji E13, E15 i E16.

• Materiały dydaktyczne będą dostępne na stronie pasjainformatyki.pl, co ma wspierać naukę.

Agenda pierwszego odcinka

• W programie omówione zostaną podstawowe zagadnienia związane z sieciami komputerowymi.

• Tematyka obejmie definicję sieci komputerowej, jednostki danych oraz rodzaje mediów transmisyjnych.

Definicja i znaczenie sieci komputerowej

Co to jest sieć komputerowa?

• Sieć komputerowa to połączenie co najmniej dwóch urządzeń w celu wymiany danych; obecnie obejmuje nie tylko komputery, ale także inne urządzenia jak drukarki czy telefony.

• Przykłady zastosowania: komunikacja przez Facebooka na telefonie czy granie online na konsoli.

Urządzenia w sieci

• Współczesne urządzenia takie jak lodówki mogą łączyć się z internetem i dokonywać zakupów online.

• Kluczowe elementy: host (urządzenie z adresem IP), serwer (komputer oferujący usługi), klient (oprogramowanie korzystające z usług serwera).

Kluczowe pojęcia związane z sieciami

Elementy infrastruktury sieciowej

• Serwer może być każdym komputerem z odpowiednim oprogramowaniem; najczęściej są to dedykowane maszyny o dużej mocy obliczeniowej.

• Medium transmisyjne to element umożliwiający komunikację między urządzeniami; przykłady to kable miedziane, światłowodowe oraz fale radiowe.

Protokół komunikacyjny

• Protokół definiuje zasady wymiany danych między urządzeniami; wiele protokołów będzie omawianych w kolejnych odcinkach.

Historia internetu i jego struktura

Rozwój internetu

• Internet jako zbiór połączonych ze sobą rozległych sieci powstał pod koniec lat 60. XX wieku wraz z ARPANET-em.

• Pierwsze łącze internetowe w Polsce uruchomiono we wrześniu 1990 roku; internet nie jest równy WWW – ten ostatni to jedna z wielu usług dostępnych w internecie.

Typy sieci

• Intranet to prywatna wewnętrzna sieć dla upoważnionych użytkowników; Extranet rozszerza dostęp dla klientów firmy.

Podstawowe pojęcia w sieciach komputerowych

Usługa DNS i DHCP

• Usługa DNS (Domain Name System) zamienia nazwy mnemoniczne na adresy IP, co jest kluczowe dla funkcjonowania internetu. Przykład: onet.pl przekształca się w odpowiedni adres IP.

• Protokół DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) automatycznie przydziela hostom adresy IP, maski podsieci oraz adresy bramy, co ułatwia zarządzanie dużymi sieciami.

Jednostki przesyłu danych

• W kursie omówione zostaną podstawowe jednostki przesyłu danych, a bardziej zaawansowane tematy będą poruszane w kontekście konkretnych zagadnień.

• Bazową jednostką zapisu danych jest 1 bit; jednak ze względu na duże ilości danych używa się bajtów oraz ich wielokrotności (kilobajty, megabajty itd.).

Przepustowość łącza

• W sieciach komputerowych istotna jest szybkość przesyłu danych, określana jako przepustowość łącza. Mierzy się ją w bitach na sekundę (bps).

• W przeciwieństwie do plików, gdzie stosuje się bajty, w przypadku sieci używa się bitów do określenia przepustowości.

Konwersja jednostek

• Konwersja między bajtami a bitami jest kluczowa; 1 bajt to 8 bitów. Umożliwia to łatwe obliczenia dotyczące rozmiarów plików.

• Aby obliczyć liczbę bitów w pliku o wielkości 100 bajtów, mnożymy przez 8: 100 text B times 8 = 800 text b.

Przykłady obliczeń

• Dla pliku o wielkości 2 MB można obliczyć jego rozmiar w megabitach poprzez pomnożenie przez 8.

• Przy konwersji z bitów na bajty należy dzielić przez 8; przykład: 16 text Mb / 8 = 2 text MB.

Obliczenia praktyczne związane z danymi

Zadanie pierwsze: Pobieranie danych z internetu

• Obliczamy ilość danych pobranych z internetu przy stałej przepustowości wynoszącej 60 Mbit/s przez jedną godzinę.

• Po przeliczeniu czasu z godzin na sekundy i przepustowości z megabitów na megabajty uzyskujemy około 26.3 text GB.

Zadanie drugie: Czas pobierania pliku

• Obliczamy czas potrzebny do pobrania pliku o wielkości 1 text GB, przy prędkości 10 text Mbit/s.

• Po przeliczeniu jednostek uzyskujemy wynik około 13text minut 39texts.

Wprowadzenie do mediów transmisyjnych w sieciach komputerowych

Znaczenie mediów transmisyjnych

• Wybór odpowiedniego medium transmisyjnego jest kluczowy dla efektywności działania sieci komputerowej.

• Media przewodowe dzielą się na miedziane (kabel koncentryczny, skrętka) oraz światłowodowe (światłowód jednomodowy i wielomodowy).

Kabel koncentryczny

• Kabel koncentryczny składa się z miedzianego rdzenia, izolacji, ekranu miedzianego i zewnętrznej koszulki; zakończony złączem BNC.

• Istnieją dwa typy kabli koncentrycznych: cienki (5 mm grubości, maksymalna długość 185 m) i gruby (10 mm grubości, maksymalna długość 500 m).

• Standardy sieci dla kabla koncentrycznego to 10 Base 2 dla cienkiego i 10 Base 5 dla grubego; obie mają przepustowość 10 Mbit/s.

Skrętka

• Kabel typu skrętka składa się z ośmiu żył miedzianych splecionych w cztery pary; zakończony wtykiem RJ45.

• Wyróżniamy trzy podstawowe typy skrętki: UTP (nieekranowana), FTP (ekranowana folią), STP (ekranowana siatką).

• Typ skrętki dobierany jest na podstawie zakłóceń elektromagnetycznych oraz zastosowania w małych sieciach LAN.

Kategorie kabli skrętkowych

• Istnieje kilka kategorii kabli skrętkowych: kategoria 3, 5, 5E, 6, 6a oraz 7; każda określa standardy stosowania.

Parametry techniczne kabla skrętkowego

• Kluczowe parametry to tłumienie sygnału (w decibelach), propagacja sygnału (w procentach), rezystancja (w omach), oraz maksymalny promień zgięcia kabla.

Kable światłowodowe - różnice i zastosowanie

Budowa kabli światłowodowych

• Kable światłowodowe wykorzystują włókno szklane jako rdzeń; przesyłają sygnały świetlne zamiast prądu elektrycznego.

Rodzaje światłowodów

• Najpopularniejsze rodzaje zakończeń kabli światłowodowych to SC, ST oraz FC; istnieje wiele innych typów.

Światłowody jednomodowe vs. wielomodowe

• Światłowody jednomodowe przesyłają jedną wiązkę światła na dużych odległościach bez wzmacniaczy sygnału.

• Światłowody wielomodowe przesyłają wiele wiązek światła na krótszych dystansach ze względu na większe rozmycie sygnału.

Zalety i wady mediów transmisyjnych

Media przewodowe: miedziane vs. światłowodowe

• W przypadku światłowodu wielomodowego 50 lub 62,5 mikrom, omówiono zalety i wady mediów miedzianych oraz światłowodowych.

• Zalety mediów miedzianych:

• Niski koszt zakupu zarówno kabla, jak i sprzętu sieciowego.

• Łatwość montażu i instalacji; narzędzia montażowe są niedrogie.

• Prosta diagnoza i naprawa usterek.

• Wady mediów miedzianych:

• Wrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne.

• Ograniczona odległość pomiędzy węzłami sieci (maksymalnie 100 metrów dla skrętki).

• Mniejsza przepustowość w porównaniu do światłowodu.

• Zalety mediów światłowodowych:

• Wysoka przepustowość oraz możliwość transmisji na duże odległości.

• Znikoma wrażliwość na zakłócenia elektromagnetyczne.

• Wady mediów światłowodowych:

• Rozmycie sygnału oraz trudności w instalacji wymagające specjalistycznych narzędzi.

• Wyższy koszt sprzętu sieciowego wykorzystującego technologie optyczne.

Media bezprzewodowe: fale radiowe

• Omówienie rozwiązań stosowanych w lokalnych sieciach komputerowych, głównie technologii Wi-Fi opartej na falach radiowych.

• Fale radiowe to promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu częstotliwości od 3 Hz do 3 THz; mogą być naturalne lub sztuczne (np. stacje nadawcze telefonii komórkowej).

• Do transmisji danych wykorzystywane są fale długie, średnie, krótkie oraz ultrakrótkie; obecnie najczęściej stosowane pasma to 2,4 GHz oraz 5 GHz.

Rodzaje sieci komputerowych

• Sieci komputerowe można podzielić według obszaru funkcjonowania:

• LAN (Local Area Network) – małe obszary (domy, szkoły).

• MAN (Metropolitan Area Network) – większe obszary (miasta).

• WAN (Wide Area Network) – połączenia między LAN i MAN.

• Podział ze względu na architekturę:

• Client-server – jeden lub kilka serwerów udostępniających usługi wielu klientom.

• Peer-to-peer – każdy komputer ma równe prawa do korzystania z zasobów i ich udostępniania.

Topologie sieci komputerowych

• Topologia określa relacje między urządzeniami oraz sposób przepływu danych; dzieli się na topologię fizyczną i logiczną.

• Główne typy topologii fizycznej:

• Topologia magistrali – wszystkie urządzenia podłączone do wspólnego medium; niska przepustowość (max.10 Mbit/s), podatność na awarie przy przerwaniu kabla.

• Topologia pierścienia – każde urządzenie podłączone jest do dwóch sąsiadów tworząc zamknięty krąg; wada polega na tym, że awaria jednego z urządzeń przerywa działanie całej sieci.

Topologie sieci komputerowych

Topologia gwiazdy

• Topologia gwiazdy polega na podłączeniu urządzeń do centralnego punktu, który pełni rolę dostępu do sieci. W przeszłości używano koncentratorów (hub), obecnie stosuje się przełączniki (switch).

• Jest to najczęściej spotykana topologia w lokalnych sieciach komputerowych ze względu na prostotę projektowania, budowy i rozbudowy.

• Topologia ta jest odporna na awarie i łatwa w zarządzaniu, co czyni ją atrakcyjną dla wielu zastosowań.

• Możliwe jest wykorzystanie różnych mediów transmisyjnych, takich jak skrętka miedziana, kabel światłowodowy czy fale radiowe.

• Główną wadą tej topologii są wysokie koszty budowy związane z koniecznością zakupu dodatkowych urządzeń oraz dużej ilości kabli.

Topologie logiczne

• Logiczną topologię definiują sposoby oraz reguły komunikacji urządzeń w sieci. Wyróżnia się trzy główne typy: punkt-punkt, pierścień oraz wielodostępowa.

Topologia punkt-punkt

• W tej topologii dane przesyłane są bezpośrednio między dwoma urządzeniami. Mogą być one połączone bezpośrednio lub za pomocą urządzeń pośredniczących.

Topologia pierścienia

• W topologii pierścienia dane przekazywane są kolejno przez wszystkie urządzenia w sieci. Każde urządzenie analizuje otrzymane dane i decyduje, czy je przekazać dalej.

Topologia wielodostępowa

• Ta topologia umożliwia komunikację poprzez jedno fizyczne medium transmisyjne. Wszystkie urządzenia "widzą" przesyłane dane, ale tylko adresowane do nich interpretują te informacje.

Mechanizmy kontrolujące dostęp do medium

• Aby uniknąć kolizji danych w topologii wielodostępowej, wprowadzono mechanizmy takie jak CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance), oraz token passing.

Metoda CSMA/CD

• Polega na nasłuchiwaniu stanu łącza przed rozpoczęciem transmisji. Jeśli łącze jest wolne, transmisja może się rozpocząć; jeśli nie, następuje przerwa i ponowna próba po określonym czasie.

Metoda CSMA/CA

• Również opiera się na nasłuchiwaniu stanu medium transmisyjnego przed rozpoczęciem wysyłania danych. Urządzenie informuje o zamiarze rozpoczęcia transmisji zanim faktycznie to zrobi.

Metoda token passing

• Polega na przesyłaniu specjalnej porcji danych zwanej żetonem (token). Posiadanie żetonu uprawnia do rozpoczęcia transmisji.

Podsumowanie zagadnień dotyczących sieci komputerowych

• Omówiono wiele kluczowych kwestii związanych z różnymi typami topologii oraz mechanizmami kontroli dostępu do medium w sieciach komputerowych.