UVOD U RAČUNARSTVO - Računarske mreže Katedra za Računarstvo, Elektronski fakultet, Univerzitet u Nišu
Prof. dr Dragan Stojanović
Uvod u računarstvo Računarstvo i informatika
2010
Računarska mreža Računarska mreža je kolekcija računarskih i računarskokomunikacionih uređaja povezanih na različite načine i prenosa podataka i deljenja resursa. Resursi mogu biti hardverski: moćan CPU, veliki brzi diskovi, štampači, itd, kao i softver i podaci Veza između računara u mreži je obezbeđena žičano - korišćenjem kablova različite vrste bežično – korišćenjem radio talasa ili infracrvenih signala Računarska mreža je kombinacija hardvera i softvera koji omogućava korisnicima da razmenjuju podatke i dele resurse
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
2
Korist računarskih mreža Deljenje hardverskih resursa: deljeni štampači, ploteri, brzi diskovi velikih kapaciteta za arhiviranje podataka, specijalizovani hardver, itd. (Print server, File server) Deljenje i razmena podataka: brza i pouzdana isporuka podataka različitih formata - elektronska pošta, HTTP, FTP itd (Mail server, Web server, FTP server, Server baze podataka) Deljenje softverskih aplikacija i komponenti (Aplikacioni server) Poboljšana pouzdanost ukoliko više računara u mreži izvršavaju zajednički algoritam; otkaz jednog računara u mreži se prevazilazi tako što njegovu ulogu preuzimaju drugi računari u mreži Poboljšana skalabilnost: cena mainframe ili super računara je mnogo viša od cene nekoliko računara opšte namene koji paralelno rade na istom problemu (Cluster of Workstations) Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
3
Hardver i softver računarskih mreža Hardver: fizička veza između dva računara uključujući mrežne kartice, modeme, kablove, rutere, mrežne mostove itd. Komunikacioni softver (skup protokola): omogućava da aplikacije koriste komunikacioni hardver u slanju podataka kroz mrežu. Protokol definiše format podataka koji se razmenjuju i skup pravila za komunikaciju između različitih računarsko-komunikacionih uređaja povezanih u mrežu
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
4
Kategorije računarskih mreža Peer-to-peer mreža
Serverska mreža
Prof. dr Dragan Stojanović
Mreža ravnopravnih korisnika (peer-to-peer) - nema hijerarhije između računara, svi su ravnopravni, funkcionišu i kao klijenti i kao serveri bez kontrole administratora Serverske mreže poseduju računar izdvojen kao server optimizovan za zadovoljenje zahteva klijenata i sigurnost podataka i aplikacija (file server, Web server, aplikacioni server, mail server, itd.)
Računarske mreže Uvod u računarstvo
5
Komunikacioni medijum Komunikacioni (prenosni) medijum je materijal koji je provodnik elektro i/ili elektromagnetnih signala (bakar, staklo, vazduh, itd.) Karakteristike komunikacionog medijuma: Propusni opseg (bandwidth) - brzina prenosa podataka u bitovima po sekundi (bps) Odnos signal/šum – određena proporcija snage signala i šuma Greška prenosa – odnos pogrešno primljenih bitova prema ukupnom broju prenetih bitova u specifičnom vremenskom periodu Slabljenje signala sa rastojanjem
Po komunikacionom (prenosnom) medijumu mreže mogu biti: žičane (koaksijalni kabl, upredene parice, optički kabl) bežične (infracrveni, mikrotalasni, radio, satelitski signali) Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
6
Žičani komunikacioni medijumi Koaksijalni kabl – bakarni provodnik obavijen metalnom košuljicom zbog sprečavanja elektromagnetnih uticaja iz okruženja i oklopljen plastičnim omotačem 10Base2 (do 10 Mbps), 10Base5 (do 10 Mbps)
Upredene parice (twisted pairs) – dva bakarna provodnika uvrnuta jedan oko drugoga u obavijena metalnim omotačem (shielded - STP) ili ne (unshielded - UTP) 10Base-T (do 10 Mbps), 100Base-T (do 100 Mbps), 1000Base-T (1000 Mbps – 1Gbps)
Optički kabl (fiber optic) sa jezgrom od stakla i plastike i reflektujućim omotačem prenosi signale u vidu svetlosnih pulseva (1 Gbps – 10 Gbps) Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
7
Bežični komunikacioni medijumi Radio talasi u nelicenciranom frekventnom opsegu 2.4 GHz i 5 GHz Bluetooth (opseg 10m-100m, brzina prenosa 1-3 Mbps) WLAN (Wi Fi) (opseg 100m, brzina prenosa 11-54 Mbps)
WiMAX (70 Mbps; 10Mbps – 10km) - WirelessMAN Radio talasi u infrastrukturi mobilne (celularne) telefonije – GPRS, EDGE (384 Kbps), UMTS (~1Mbps) Radio talasi u satelitskom prenosu i komunikaciji (1 Mbps) Infracrveni signali – koriste elektromagnetne talase u infracrvenom delu spektra za prenos podataka na maloj udaljenosti između uređaja kod kojih postoji linija vidljivosti (infracrveni port na štampaču, infracrveni miš, mobilni telefon itd.) (4 Mbps) Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
8
Računarske mreže po oblasti PAN (Personal Area Network) – u bliskom okruženju korisnika LAN (Local Area Network) – povezuje relativno mali broj računara na lokalnom geografskom području (spratu, zgradi, kompaniji, univerzitetu, itd.) MAN (Metropolitan Area Network) - povezuje više LAN na gradskom području koristeći javnu telekomunikacionu infrastrukturu WAN (Wide Area Network) – povezuje dve ili više LAN, MAN ili WAN na širokom geografskom području. Internet predstavlja primer WAN koji obuhvata celu Zemlju
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
9
Mrežna topologija LAN
Magistrala (bus) Prsten (ring)
Zvezda (star)
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
d. Mesh (mesh) LAN Mreža 10
MAN
Javna telekomunikaciona infrastruktura u gradu
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
11
WAN
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
12
Mrežni komunikacioni uređaji Kartica za interfejs sa mrežom (Network Interface Card NIC) Obično kartica u slotu za proširenja matične ploče ili kontroler na matičnoj ploči računara; uključuje eksterni port za priključenje mrežnog kabla ili antene za bežičnu komunikaciju Poseduje jedinstvenu 48-bitnu adresu (fizičku, MAC adresu)
Modem Komponente za proširenje računarske mreže Repetitor (Repeater) Hab (Hub - mrežni razdelnik) Mrežni preklopnik (Switch) Mrežni most (Bridge) Ruter (Router - usmerivač, skretnica) Mrežni prolaz (Gateway) Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
13
Modem Uređaj koji prilikom slanja podataka vrši konvertovanje digitalnih podataka u analogni signal radi prenosa preko analogne komunikacione linije, a na prijemu konvertovanje analognog signala u digitalne podatke kod prijema (MOdulation i DEModulation) Modulacija: amplitudna (AM), frekventna (FM), fazna (PM)
Javna telefonska mreža
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
14
Repetitor Regeneriše i pojačava oslabljene komunikacione signale pri slanju ka drugim segmentima mreže oslabljeni signal Repetitor regenerisani signal
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
15
Hab – Mrežni razdelnik Specijalni tip repetitora koji se koristi za proširenje mreže u topologiji zvezde i prstena, pri čemu ima više ulaza i više izlaza Svaka poruka poslata sa jednog računara prosleđuje se do Hab svih računara u mreži
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
16
Mrežni preklopnik (Switch) Mrežni uređaj sličan habu, ima više ulaza i izlaza, ali za razliku od haba svi ulazi i izlazi nisu istovremeno povezani. Switch ispituje zaglavlje paketa koji je poslat i dolazi na ulaz switcha i formira konekciju prema izlazu na koji je priključen računar adresiran adresom u zaglavlju paketa (kome je paket namenjen) Switch nije pasivan uređaj poput haba, poseduje mogućnost da ispita zaglavlje poruke i odredi adresu odredišnog računara registrovanu u zaglavlju paketa
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
17
Mrežni most (Bridge) Uređaj koji povezuje mreže na sloju veze (data link) i kontroliše tok podataka, upravlja greškama prenosa, obezbeđuje fizičko adresiranje i upravlja pristupom fizičkom medijumu Povezuje dva segmenta mreže da bi se: povećale dimenzije mreže, kao i broj čvorova mreže, podelom mreže smanjio obim saobraćaja u svakom od segmenata mreže i izolovali problemi u određenom segmentu mreže
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
18
Ruter Povezuje mreže (moguće nekompatibilne) na sloju mreže OSI modela i služi za određivanje optimalnog puta i prenos paketa između izvorišta i odredišta
Algoritmi rutiranja koriste takozvane tabele rutiranja (routing tables) sa različitim informacijama o putevima da bi odredili put kojim će se prenositi paketi do željenog odredišta Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
19
Mrežni prolaz (Gateway) Povezuje međusobno heterogene mreže (na transportnom ili aplikacionom sloju) koje koriste različite protokole, vršeći preformatiranje i prevođenje podataka koji prelaze iz jedne u drugu mrežu Povezuje dva mrežna segmenta koji ne koriste iste: komunikacione protokole strukture i formate podataka jezike arhitekture
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
20
Metode pristupa mrežnom medijumu Višestruki pristup zajedničkom medijumu nadgledanjem prisustva nosećeg signala uz detekciju kolizije (CSMA/CD) - Svaki računar na mreži proverava da li je kabl slobodan za emitovanje. Kada oseti da nema saobraćaja na mreži, šalje podatke i za to vreme nijedan drugi računar ne može slati svoje podatke dok ne stignu do odredišta. Ukoliko dođe do istovremenog slanja podataka (sudara), oba prestaju sa emitovanjem podataka izvesno, različito vreme, a onda pokušavaju ponovo. Prosleđivanje tokena - Specijalna vrsta podataka (token) kruži prstenastom mrežom od računara do računara. Računar koji želi da pošalje podatke mora da sačeka slobodan token. Računar tada preuzima kontrolu nad njim i koristi ga za prenos podataka. Dok jedan računar koristi token ostali ne mogu da komuniciraju. Prioritet zahteva - Repetitori i habovi upravljaju pristupom mreži kružno ispitujući da li postoji zahtev za slanje podataka sa bilo kog računara u mreži, i ako postoji, mogućnost slanja se dodeljuje računaru višeg prioriteta. Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
21
LAN komunikacione tehnologije Ethernet Topologija magistrale, moguća i kombinacija zvezde i magistrale Metoda pristupa CSMA/CD Mrežni medijumi: koaksijalni kablovi, upredene parice, optički kablovi Standard IEEE 802.3 Brzine prenosa: 10Mbps, 100Mbps, 1 Gbps – 10 Gbps (Gigabit Ethernet)
Token Ring (IBM) Topologija zvezdasto ožičenog prstena Metoda pristupa prosleđivanjem tokena Mrežni medijum upredene parice Standard IEEE 802.5 Brzine prenosa 4-16 Mbps, 100 Mbps (Fast Token Ring)
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
22
Prenošenje podataka kroz mreže Podaci koji se prenose su podeljeni na delove veličine oko 1 KB koji se nazivaju paketi (packets, frames) Komutacija paketa (packet switching) – način prenosa podataka kroz mrežu koji su podeljeni u više paketa koji se nezavisno prenose i na odredišnom računaru spajaju u celinu. Komponente paketa: Adresa izvora kojom se identifikuje računar koji šalje podatke Adresa odredišta kojom se identifikuje računar koji prima podatke Podaci koji se prenose (između 512B i 4KB) Instrukcije kojima se mrežnim komponentama nalaže kako da proslede podatke kroz mrežu Informacije pomoću kojih se računar koji prima podatke upućuje kako da pakete spoji u prvobitnu celinu Informacije o proveri greške kojima se proverava da li su paketi stigli neoštećeni (ciklična provera redundantosti – CRC broj) Komponente paketa su grupisane u tri dela: zaglavlje, podaci, prateći zapis sa komponentama za proveru greške Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
23
ISO/OSI referentni model International Organization for Standardization (ISO) Open Systems Interconnection (OSI) Teoretski model i standard koji specificira način međusobne komunikacije između dva računarska sistema Svaki sloj komunicira i sarađuje sa slojevima koji su neposredno iznad i ispod njega 7 6 5 4 3 2 1 Prof. dr Dragan Stojanović
Sloj aplikacije Sloj prezentacije Sloj sesije Transportni sloj Mrežni sloj Sloj veze Fizički sloj
Application layer Presentation layer Session layer Transport layer Network layer Data link layer Physical layer
Računarske mreže Uvod u računarstvo
24
OSI slojevi (1) Fizički sloj prenosi nestruktuirani niz bitova preko fizičkog medijuma i za aktivaciju i održavanje fizičke veze (poput kabla) između računara Sloj veze uokviruje podatke sa višeg sloja u okvire koji uključuju zaglavlje sa fizičkim adresama izvora i odredišta. Odgovoran je za pouzdan prenos podataka kroz fizički sloj bez greške Sloj mreže je zadužen za adresiranje paketa i prevođenje logičkih adresa i imena u fizičke adrese, određujući optimalni put paketa od izvornog do odredišnog računara Transportni sloj obezbeđuje da se paketi isporučuju bez greške, prema redosledu kako su poslati, bez gubitaka ili dupliranja. Formira virtuelnu konekciju između izvornog i odredišnog računara i obezbeđuje kontrolu toka prenosa, obradu grešaka i rešavanje problema u prenosu i prijemu paketa. Sloje sesije uspostavlja, upravlja i zatvara vezu (sesiju) između aplikacija na različitim računarima u mreži Sloj prezentacije određuje format koji se koristi pri razmeni podataka između umreženih računara i odgovoran je za prevođenje i formatiranje podataka neophodnih aplikacionom sloju Sloj aplikacije obezbeđuje interfejs za sve aplikacije koje pristupaju računarskoj mreži i mrežnim resursima Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
25
OSI slojevi (2) Slojevi nižeg nivoa, 1 i 2, definišu fizički medijum mreže i srodne poslove, kao što je način prosleđivanja bitova podataka u mrežne kartice (adaptere) i kablove i implementiraju se u hardveru i softveru Najviši slojevi definišu kako aplikacije pristupaju komunikacionim uslugama i softverski se implementiraju Slojevi su međusobno razdvojeni interfejsima i svi zahtevi jednog sloja drugom sloju prosleđuju se preko interfejsa. Prilikom slanja, svaki sloj paketu dodaje odgovarajuće informacije (format, adresa, kod za proveru greške, itd.), koje se na prijemu izdvajaju u okviru odgovarajućeg sloja i prosleđuju sledećem sloju, sve dok sloj aplikacije originalni paket podataka prosleđuje aplikaciji koja učestvuje u komunikaciji.
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
26
Tok podataka u OSI modelu Računar A
Računar B Mreža
Komunikacioni medijum Računarske mreže Prof. dr Dragan Stojanović
Uvod u računarstvo
27
Protokoli Sistem pravila i postupaka koji upravljaju prenosom i kontrolom toka podataka između mrežnih čvorova Protokoli su slojeviti tako da se svaki zasniva na protokolu nižeg sloja – stek protokola (protocol stack) Na predajnom računaru protokol: Deli podatke u manje celine, nazvane paketi, koje može da obrađuje Paketima dodaje adresne informacije tako da odredišni računar na mreži može da odluči da li oni pripadaju njemu Priprema podatke za prenos kroz mrežnu karticu i dalje kroz mrežni medijum Na prijemnom računaru sprovode isti niz koraka ali obrnutim redosledom: Preuzimaju pakete podataka sa kabla i mrežne kartice Iz paketa uklanjaju sve informacije o prenosu koje je dodao predajni računar Kopiraju podatke iz paketa i prihvatnu memoriju (bafer) koja služi za ponovo sklapanje Ponovo sklopljene podatke prosleđuju aplikaciji u obliku koji ona može da koristi. Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
28
TCP/IP protokoli De facto industrijski standard za računarsku komunikaciju u heterogenim okruženjima TCP (Transmission Control Protocol) – Zadužen za pouzdani prenos podataka od jednog do drugog mrežnog čvora. Zasniva se na virtuelnoj konekciji između izvornog i odredišnog računara. Deli podatke u pakete i prosleđuje ih IP softveru za dalji prenos, a pri prijemu na odredištu uređuje i ponovo sklapa pakete UDP (User Datagram Protocol) - Alternativa TCP sa osnovnom razlikom da ne uspostavlja virtuelnu konekciju, pa je UDP manje pouzdan, ali generalno brži IP (Internet Protocol, IPV4) – Vrši adresiranje i izbor putanje paketa i upravlja rutiranjem paketa kroz međusobno povezane mreže do njihovog konačnog odredišta Računarske mreže Prof. dr Dragan Stojanović
Uvod u računarstvo
29
Protokoli višeg nivoa Protokoli razvijeni na osnovama postavljenim skupom TCP/IP protokola Simple Mail Transfer Protocol (SMTP) – protokol za slanje elektronske pošte File Transfer Protocol (FTP) – protokol za prenos datoteka (download i upload); neophodno postojanje ftp klijenta i ftp servera Telnet – protokol za rad na udaljenom računaru; omogućuje prijavljivanje (logon) na udaljeni računar (telnet server) i rad putem lokalnog telnet klijenta Hyper Text Transfer Protocol (http) – prenos hipertekstualnog i hipermedijalnog sadržaja na WWW-u Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
30
TCP/IP i OSI model
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
31
Domaći zadatak U knjizi Osnovi računarske tehnike (poglavlje 16 Komunikacija podataka), pročitati sledeća poglavlja: 16.1 Računarske mreže 16.2 Mreže za prenos podataka
Prof. dr Dragan Stojanović
Računarske mreže Uvod u računarstvo
32