Základní pojmy počítačových sítí

Žáci dnes běžně pracují s velkým množstvím služeb, které jim poskytují počítačové sítě – od komunikace pomocí sociálních sítí přes vyhledávání obrázků a dat, sdílení souborů až po stahování filmů či telefonování přes Skype. Přesto řada z nich nemá dostatečně jasno v základních pojmech, které za těmito technologiemi stojí. Proto je třeba jim v gymnaziální výuce věnovat dostatečný prostor, ač by se na první pohled mohlo zdát, že se v problematice většina žáků dobře orientuje. Ostatně samotná přesnější definice pojmů a jejich zasazení do určitého kontextu může být i pro pokročilejší žáky zajímavé a přínosné.

Základní pojmy

V této části se pokusíme na začátku nastínit možnou definici základních pojmů, se kterými se mohou žáci v oblasti počítačových sítí setkat. Je třeba říci, že zde uvedené popisky není možné brát jako dokonalé definice – jde o velice komplexní oblast, která téměř vždy umožňuje existenci určitých výjimek. Je ale třeba, aby měli žáci alespoň základní představu o těchto pojmech a uměli jich správně užívat.

Klient je označení počítače, který je připojen do sítě. Nemá obvykle žádné privilegované postavení a jeho možnosti jsou podobné jako jakéhokoli jiného klienta. Často se také můžeme setkat s tímto pojmem jako s označením softwaru, který komunikuje se serverem, a zprostředkuje tak uživateli nějakou službu (FTP klient, e-mailový klient, ...).

Server je počítač, který má v síti určité výsadní postavení. Jeho úkolem je zajistit klientům určité služby či funkce – může jít o vzájemnou komunikaci klientů, převod doménového jména na IP adresu (DNS), připojení na internet, tisk, sdílení souborů atp. Server může vystupovat ve vztahu k jinému serveru v roli klienta. Obvykle jde o počítače, které jsou specifické také svojí konstrukcí (speciální procesor, disková pole, ...).

Směrovač je zařízení, které zajišťuje směrování paketů. Jde o aktivní prvek sítě, který se snaží mít znalost o svém okolí a příchozí pakety nasměrovat správným směrem. V analogii s doručováním paketu jako dopisu by plnil roli pošty. Jeho využití je ale širší – umožňuje garantovat kvalitu služeb, hlídá TTL (jde o parametr omezující životnost paketů, aby ztracený paket nebloudil sítí věčně), musí aktivně zkoumat své okolí a zjišťovat změny v síti. Současně provádí výpočet nejlepší cesty k určitým dalším uzlům.

Paket představuje pevně definovaný balíček dat, který je posílán sítí. Data nejsou v počítačových sítích obvykle (téměř nikdy) posílána jako souvislý tok informací, ale v určitých balíčcích, tedy paketech. To umožňuje vyšší bezpečnost, lepší směrování i efektivnější využití kapacity sítě. Paket má pevně danou strukturu, ale obecně je možné říci, že vždy obsahuje adresu odesílatele a příjemce, informaci o používaném protokolu, vlastní data a případně nějaké další informace.

Síťová karta je hardwarové zařízení (dnes nejčasněji integrované na základní desce počítače), které zajišťuje zapojení počítače do sítě. Informace jsou v ní převáděny na pakety, a naopak pakety skládány do dat. Karta umí specifický protokol přenosu dat (typicky Ethernet) a má port pro zapojení kabelu (kroucená dvojlinka, optické vlákno, koaxiální kabel). Mimo to má specifickou MAC adresu, která je jedinečná v rámci celého světa a slouží pro identifikaci počítače v síti a případně vygenerování lokální adresy.

Port je číslo v rozsahu od 0 do 65535, které identifikuje aplikaci, jenž se právě účastní komunikace. Jednotlivé aplikace se identifikují v rámci protokolu TCP či UDP. Díky portům je možné provádět jednoduchou obsluhu aplikací, zajišťovat (do určité míry) kvalitu služeb atp. Existují obvyklá čísla portů, např. SMTP má 25, POP3 110, HTTP 80 nebo 21 patří k FTP. Uživatelé či aplikace se ale mohou shodnout na jiném portu, což se však obvykle příliš nedělá.

Médium je fyzické prostředí, prostřednictvím kterého probíhá síťová komunikace. Můžeme mít média voděná – pak jde o klasickou kabeláž (optický kabel, matalický kabel, kroucená dvojlinka) nebo vlněná (vzduch, vakuum), která využívají technologie, jako je WiFi či GSM.

Protokol je formální jazyk definující způsob komunikace (IP, TCP, IMAP4). Přesně popisuje, jak vypadá paket, jakou rychlostí se má zasílat, definuje bezpečnostní prvky, opravy chyb atp. Téměř každá vrstva ISO-OSI modelu má vlastní skupinu protokolů. Většinou jsou vázány pouze na jednu vrstvu.

Switch (česky přepínač) je aktivní prvek sítě, které propojuje její jednotlivé části. Na rozdíl od mostu (bridge) umožňuje spojovat více než dva síťové okruhy. Menší části sítě mají výhodu v tom, že disponují lepším přístupem k médiu, čímž je zajištěna větší přenosová rychlost a využití sítě.

Opakovač je jednoduché zařízení, které má za úkol zajistit přenos signálu na větší vzdálenosti. Je umístěn v určité vzdálenosti od vysílače a zesiluje příchozí signál. Pracuje tedy přímo na fyzické vrstvě.

Topologie sítě

Tématem, které se žákům obvykle líbí, je topologie sítě. Tedy způsob jejího fyzického zapojení. Pokud bychom chtěli být zcela korektní, bylo by nutné rozlišit mezi logickým a fyzickým propojením počítačů. Osobně se ale domnívám, že není nutné tuto distinkci na střední škole zavádět.

Kruhová topologie je propojení počítačů do kruhu. K jednomu počítači je připojena vždy dvojice dalších. Výhodou tohoto modelu je, že pokud vypadne jeden prvek, síť může (pokud je duplexní) fungovat dál. Stejně tak je respektován fakt, že nejbližší počítače spolu (v LAN) obvykle komunikují nejčastěji.

Mesh je zřejmě nejméně používanou topologií. Nejsou v ní žádná pravidla, je budována ad hoc, tak jak jsou postupně přidávány počítače. Na druhou stranu je zajímavá z hlediska popisu, neboť je zcela obecná. Z logického uspořádání je možné říci, že Mesh je internet nahlížený jako celek.

Hvězda představuje jeden z nejčastějších modelů zapojení – jednotlivé stanice jsou připojené k jednomu centrálnímu bodu (například serveru). Mohou spolu komunikovat výhradně přes něj. Výhodou je snadná správa a směrování, slabým místem naopak server.

Strom představuje další topologii, která patří mezi užívané. Existuje zde určitá struktura počítačů, které jsou zapojeny do struktury matematického stromu. Jednotlivé počítače tak mohou (nejsou-li koncové ani kořenové) plnit roli serveru a klienta současně.

Sběrnice představuje model, kdy k jednomu médiu jsou postupně připojeny stanice. Jde tedy o koncept sdíleného média.

Existují samozřejmě také další topologie – lineární, spojení každého s každým, nebo extrémní případ dvoubodového spojení. Současně je třeba žákům říci, že jen málo kdy má nějaká síť dokonalou strukturu kruhu, sběrnice či stromu. Většinou je to něco mezi tím. Pokud se žáky proberete topologii počítačových sítí, je možné zcela přirozeně přikročit k otázce směrování v jednotlivých modelech.

Topologie sítě. GNU

Závěr

Výuka jistě nemůže probíhat tak, že se žáci jen seznámí s určitými pojmy a parametry, je třeba je zasazovat do kontextu, uvažovat o tom, jakým způsobem by bylo možné je zlepšit a na čem všem vlastně závisí. Vždy je dobré pokud se podaří nabídnout žákům spojení teoretických poznatků a reálné praxe.

Na téma ohledně základních pojmů a topologie sítě bude jistě zcela integrálně navazovat část věnovaná směrování a protokolům, řeč by jistě měla být o ISO-OSI modelu, Peer to Peer sítích atp. Jde o téma velice zajímavé a bohaté, které má praktické důsledky v běžném denním životě každého z nás. Počítačové sítě způsobily revoluci v oblasti komunikace, ale také v ekonomice, politice či kultuře. Proto je nanejvýš vhodné, aby jim – alespoň v základních rysech – žáci dobře rozuměli.