Parametry počítačových sítí

Oblastí, se kterou je třeba žáky seznámit, je rozdíl mezi ideální a reálnou sítí. V ideální síti jsou všechna spojení realizována metodou point-to-point. Komunikují spolu vždy dva počítače přímo, přenosová rychlost je nekonečná, zpoždění nulové, neexistují zde chyby atp. Reálná síť se ale chová podstatně jinak. V následující části se pokusíme ukázat alespoň některé parametry, které by měli žáci znát.

Statická a dynamická síť. Ideální síť je vždy statická. Na počátku je znám její stav, všechny směrovací tabulky se dopředu nastaví a provoz v ní je možné optimalizovat. Reálná síť je ale dynamická – neustále dochází k připojování a odpojování stanic, existují v ní výpadky (vypne proud, restartuje se počítač, ...) a síťové prvky (hlavně směrovače) na tyto změny musejí být schopné zareagovat.

Propustnost. Důležitým parametrem sítě je propustnost, což je veličina, která říká, jaké množství dat je možné sítí přenést za jednotku času. V reálné síti se toto číslo může reálně měnit a síť musí na tyto změny reagovat. Cílem směrování je obvykle doručení paketů co nejrychleji na místo určení a právě propustnost hraje v tomto ohledu důležitou roli. S ní souvisí také parametr rychlosti přenosu dat, který se udává v bitech či bitech za sekundu.

Chybovost. Reálné sítě nefungují ideálně – existují v nich výpadky, chyby či šum. Důležitým parametrem sítě je spolehlivost (či inverzní chybovost), která říká, jaká je vzdálenost (v objemu dat či čase) mezi dvěma poškozenými pakety. Je samozřejmé, že by bylo nejlepší mít síť, která bude mít chybovost nulovou.

Rozptyl. Udává rozdíl mezi minimální a maximální přenosovou rychlostí za určitý čas. Jde o poměrně problematickou veličinu – není možné počítat ani s nejvyšší ani s nejnižší rychlostí, pokud chceme dosáhnout optimálního využití sítě. Proto je třeba provoz na síti neustále hlídat.

Zpoždění udává, jak dlouho trvá cesta paketu od odesílatele k příjemci. Pro řadu aplikací je to kritický parametr, neboť pokud chceme provádět například videohovory v reálném čase, potřebujeme zpoždění pod 0,2 s. Zpoždění není generováno jen aktivními prvky s omezenou rychlostí, ale také rychlostí přenosu dat v médiu (v optických kabelech jde o rychlost světla).

Cena. V neposlední řadě je důležitým parametrem sítě také cena, kterou je třeba za její používání platit. Často je to dokonce kritérium rozhodující pro volbu sítě.

Route neboli cesta udává, kudy se pakety v síti reálně pohybují. Jde o velice důležitý parametr, neboť je možné, že jsou některé cesty zpoplatněné nebo existuje jiný zájem na tom, aby pakety chodily jinudy. Route vypočítává adresy směrovačů, přes které se paket dostal od vysílajícího až do cílové stanice.

Vytíženost linky udává, jaká část její kapacity je využitá. Může jít o aktuální, špičkovou či průměrnou hodnotu. Zatímco u lokálních sítí příliš nevadí, pokud se pravidelně přibližujeme ke 100 %, u páteřních sítí se jeví jako kritická již úroveň okolo 80 %. V takovém případě je třeba hledat nové možnosti pro směrování paketů nebo zvýšit kapacitu linky.

QoS či kvalita služeb je mimořádně důležitým parametrem, pokud potřebujeme v síti provozovat nějakou službu, která si vyžaduje určitou prioritu. Může jít o videohovory, které nepotřebují příliš velký datový tok v jednom okamžiku, ale potřebují ho mít garantovaný konstantní (víceméně). Možností, jak zajistit kvalitu služeb, je více a na některé se ještě podrobněji podíváme.

Parametrů bychom mohli najít ještě celou řadu, a pokud se žáci dostanou někdy k práci se skutečnou sítí, jistě je budou zajímat. Mezi parametry sítě může patřit také médium, ze kterého je tvořena, neboť to do velké míry určuje bezpečnost sítě jako celku (WiFi je velice nezabezpečené, optický kabel je jako médium relativně bezpečný). Dále pak podpora protokolů (na úrovni směrovačů) UDP či TCP, IPv6 či IPv4 atp. Některé sítě například podporují multicast a jiné nikoli. V podobném přehledu bychom mohli jistě pokračovat ještě dlouho.

Na tomto místě se omezíme snad jen na několik málo poznámek. Pokud máte dostatek času, je dobré žákům ukázat, jakým způsobem je možné kvalitu sítě měřit. Osobně doporučuji aplikaci NetDoppler (http://wildpackets-netdoppler.software.informer.com/), která je zdarma dostupná a umožňuje relativně podrobné a kvalitní měření, třeba i z pracovní stanice žáka. Je možné je seznámit se základními možnostmi, které se zde nabízejí, a naměřené výsledky s nimi diskutovat. Jestliže je měření běžnou součástí výuky fyziky, mělo by tomu tak být také u počítačových sítí.

TCP a ICMP

Jistou zajímavostí může být, že populární utilita PING, která je součástí Windows, neslouží k měření odezvy či zpoždění sítě (ač se název snaží tvrdit opak), ale jen k tomu, abychom zjistili, zda je nějaký uzel funkční či nikoli. Využívá totiž ICMP pakety místo klasických TCP, které mají často menší prioritu a jsou podstatně menší. Výsledky měření odezvy jsou tak v zásadě zcela nerelevantní. Na základě těchto poznámek může následovat rozvinutí diskuse o tom, jak pracuje TCP a k čemu je ICMP vlastně dobrý.

Na střední škole zřejmě nemá smysl diskutovat podružnosti, jako je TCP Reno, Tahoe, Vegas či BIC, ale je třeba říci, jaký je základní princip práce protokolu. Jeho cílem je, aby na základě toho, jak je schopen vysílající posílat pakety do sítě, přijímající je zpracovat a jaké jsou možnosti sítě, nastavil optimální rychlost vysílání. Přitom je třeba respektovat důležitý parametr, kterým je spravedlnost. Není možné, aby si jeden proud uzurpoval celou síť pro sebe a nedovolil dalším, aby k ní měly přístup.

Reálně to vypadá tak, že datový tok roste, dokud je to možné, a reaguje na chybovost. Pokud nastane chyba (nedojde potvrzení), je třeba tok snížit a v jeho postupném nárůstu pokračovat. Praktické provedení tohoto algoritmu je pak druh od druhu (TCP) různé. Samotné TCP může provoz sítě sledovat jen velmi omezeně a to tak, že příjemce paketů vysílá speciální potvrzovací rámce druhé straně.

Aby měl vysílající lepší představu o tom, jak síť vypadá, užívá se (na síťové vrstvě) mimo IP ještě ICMP. Ten je určený na komunikaci se směrovači, slouží na zjištění prostupnosti sítě, odstraňování cyklů atp. Mohli bychom říci, že zatímco IP slouží pro komunikaci mezi počítači, ICMP slouží pro zajištění komunikace v rámci sítě. Mimo to existují ještě protokoly, které zajišťují směrování mezi autonomními sítěmi.

QoS v IPv6

Zatímco u IPv4 není kvalita služeb nijak garantovaná, IPv6 v tomto ohledu přináší zásadní změny. Každému paketu je možné přiřadit prioritu, která rozhodne o tom, jak rychle bude obsloužen (pokud bude QoS implementována také na směrovačích). Reálně to znamená, že například živé přenosy fotbalových zápasů či hovory budou uspokojeny přednostně, protože se zde netoleruje žádné velké zpoždění či kolísání prostupnosti. Naopak e-mail, běžná webová stránka a řada dalších statických informací bude mít prioritu nižší. To, co na jedné straně významně podpoří kvalitu, nebude znamenat nějaké významné omezení na straně neprioritních služeb. Ve srovnání s tím, jak dlouho webovou stránku generuje prohlížeč, budou zpoždění na směrovačích minimální.

Již dnes funguje zajišťování kvality služeb především v oblasti směrování mezi autonomními systémy, kde jsou prioritním tokům přiřazeny nálepky, které značí jejich důležitost a často mají také garantovanou posloupnost uzlů, po kterých jsou přenášeny (pokud není pomocí ICMP zjištěný nějaký problém). Právě v otázce QoS a její složitosti je vidět zásadní rozdíl oproti ideálním sítím, kde by vše fungovalo zcela přirozeným způsobem samo.

Závěrem

Pojem ideální sítě je jedním z mála abstraktních informatických modelů, které je možné na střední škole bez větších obtíží vyložit. Pochopení parametrů, které můžeme u sítí sledovat, může vést žáky k hlubšímu promýšlení celé problematiky a analytickému pohledu na počítačové sítě. K měření řady parametrů sítí existuje velké množství nástrojů, takže si mohou i žáci sami vyzkoušet určitý úvod do jejich diagnostiky. Osobně se domnívám, že jde o téma zajímavé a zábavné, které je současně mimořádně důležité, a proto by nemělo zůstat mimo pozornost v běžné výuce.