Počítačové sítě

Počítačové sítě jsou skupiny počítačů a dalších zařízení, které jsou vzájemně propojené , aby si mohly vzájemně posílat informace a sdílet zdroje (například tiskárny). Tyto sítě mohou být propojeny různými způsoby, například kabely, Wi-Fi nebo satelitním připojením. Počítačové sítě umožňují rychlé sdílení informací i na velké vzdálenosti.

Největší počítačovou sítí je internet – tím se zabýváme v první kapitole (např. jaký je rozdíl mezi internetem a webem). Internet však není jediná počítačová síť na světě. V dalších kapitlách zkoumáme téma počítačových sítí obecně:

• Obecné principy – jak probíhá komunikace po síti a jaké různé typy počítačových sítí existují (síťové architektury, topologie, rozdělení sítí podle velikosti)
• Protokoly – pravidla, která určují provoz na sítích (např. TCP, UDP, IP, Wi-Fi, Bluetooth a další)
• Hardware – síťová zařízení a přenosová média, která provoz na sítích fyzicky zajišťují

Internet je celosvětová počítačová síť – to znamená, že propojuje počítače. Internet vznikl propojením menších počítačových sítí, které často patří soukromým vlastníkům (inter = mezi, network = síť). Internet jako celek je veřejný, nemá jednoho vlastníka ani centrální správu.

Připojení k internetu

K internetu se lze připojit drátově i bezdrátově. Při drátovém připojení se využívá infrastruktura telefonních linek (DSL) nebo kabelových televizí (v obou případech putuje po drátech elektrický signál), případně novějších optických kabelů (v nichž putuje světelný signál, který je rychlejší). Bezdrátové připojení využívá rádiové vlny vysílané buď z blízkých stanic (vysílačů) nebo satelitů na oběžné dráze Země (k připojení je potřeba mít anténu). Bezdrátové připojení k internetu umožňují skrze své vysílače také mobilní operátoři, kteří využívají technologii LTE nebo novější 5G.

K převodu analogového signálu (který putuje např. kabelem) na digitální (kterému rozumí počítače) je potřeba modem. Abychom mohli k síti připojit více zařízení, je potřeba za modem (nebo přímo do něj) přidat router (směrovač), který určuje, komu poslat která data. K routeru lze zařízení připojit pomocí síťového kabelu, ale často také bezdrátově pomocí technologie Wi-Fi (pak mluvíme o Wi-Fi routeru). Mobilní zařízení umožňují sdílet datové připojení k internetu s jinými zařízeními, tato funkce se označuje jako hotspot.

World Wide Web

World Wide Web (často zkráceně jen web) je síť propojených webových stránek. Webové stránky jsou „hypertextové dokumenty“, což znamená, že na sebe vzájemně odkazují pomocí tzv. hypertextových odkazů. Odkazy mají formu URL (Uniform Resource Locator), které zahrnuje komunikační protokol, doménové jméno a cestu k danému zdroji (např. https://fi.muni.cz/contacts). Webové stránky se píší ve značkovacím jazyce HTML, který umožňuje určit strukturu stránky, formátování textu i hypertextové odkazy.

K prohlížení webových stránek slouží programy označované jako webové prohlížeče neboli browsery (např. Chrome, Firefox, Edge, Safari, Opera). Prohlížeče komunikují s webovými servery podle pravidel protokolu HTTP (Hypertext Transfer Protocol), nebo jeho zabezpečného rozšíření HTTPS (S = Secure). Vyhledávání na internetu pomocí klíčových slov umožňují internetové vyhledávače (např. Google, Bing, Seznam.cz).

Další internetové služby

Internet není jen World Wide Web. Internet umožňuje i další služby, například posílání e-mailů, instant messaging (okamžité zasílání zpráv), videokonference (např. Zoom, Google Meet), streamování videa a hudby nebo přenos souborů. Infrastrukturu internetu využívají také tzv. cloudy. Cloudová úložiště (např. Google Drive, Dropbox) umožňují ukládání souborů a online přístup k nim – data jsou totiž fyzicky uložena v počítači poskytovatele cloudu, nikoliv v našem počítači. Cloudy umožňují na vzdáleném serveru nejen ukládat data, ale také provádět výpočty (tzv. cloud computing).

Bezpečnost

Z pohledu bezpečnosti je vhodné s webovými servery komunikovat prostřednictvím protokolu HTTPS, který veškerou komunikaci šifruje, což je zásadní zejména při posílání osobních údajů. Bezpečnější komunikaci mezi sítěmi zajišťuje firewall, který je jednak součástí routerů, jednak jako samostatná aplikace na počítači. Firewall kontroluje příchozí i odchozí data a pokud mají podezřelý obsah, nepustí je dál.

VPN (Virtual Private Network) je virtuální soukromá síť, tedy soukromé propojení několika počítačů v rámci internetu (který sám o sobě zabezpečný není). Propojené počítače tak mohou být kdekoliv na světě, komunikace mezi nimi je přitom zabezpečená, jako by byly součástí soukromé sítě.

Počítačové sítě propojují dohromady počítače a umožňují jim vyměňovat si mezi sebou informace. Největší světovou sítí je internet, nejde však o jedinou počítačovou síť. Internet je tvořený propojením mnoha menších sítí a existují i počítačové sítě, které k internetu připojené nejsou (např. interní firemní sítě).

Komunikace po síti

Průběh komunikace po síti určují síťové protokoly. Například protokol HTTP určuje průběh komunikace s webovými servery a protokol IP slouží k nalezení cesty, kudy data po síti posílat. Data se po síti nejčastěji posílají v oddělených balíčcích, nazývaných pakety. Pakety se skládají z hlavičky, která obsahuje řídící informace, a z vlastních dat.

Síťové architektury

Síťová architektura je návrh sítě, který určuje, jak probíhá komunikace mezi prvky sítě. Nejčastější jsou dvě architektury:

• V klient-server síti mohou zařízení mít dvě různé úlohy. Server poskytuje služby, veškerá komunikace v síti jde přes něj. Typicky jde o velký počítač, který například patří nějaké firmě. Klienti jsou běžné uživatelské počítače, které si žádají služby od serveru. Když si například chceme zobrazit webovou stránku, náš počítač (klient) pošle serveru, který danou stránku provozuje, žádost o zaslání obsahu stránky.

• V peer-to-peer síti jsou si všechny prvky rovny. Všichni peerové si mohou vyžádat služby od ostatních a na oplátku některé služby poskytují.

Topologie

Skutečná fyzická podoba zapojení prvků do sítě se nazývá topologie. Základní typy topologií jsou kruhová, sběrnicová, hvězdicová a stromová. Každá z nich má různé výhody a nevýhody. (Např. ve sběrnicové topologii je snadné zapojení dalšího počítače do sítě, ale přenášení dat po jednom společném kabelu vede k vysoké kolizi dat.) Proto se ve skutečných sítích kombinují různé topologie dohromady.

kruhová

sběrnicová

hvězdicová

stromová

Rozdělení sítí podle velikosti

Sítě lze také rozlišovat podle velikosti a rozsahu. Zde jsou některé vybrané typy:

• LAN (Local Area Network) – síť pokrývající malé území, například jednu budovu
• WLAN (Wireless Local Area Network) – LAN s bezdrátovým přenosem dat
• WAN (Wide Area Network) – síť, která obsluhuje velké území (Např. internet je sítí typu WAN.)

Provoz v počítačových sítích probíhá podle pravidel protokolů. Protokolů existuje mnoho, každý má určitou vlastní funkci.

TCP a UDP řídí přenos dat od uživatele k příjemci. UDP posílá data bez zajištění spolehlivosti, ale zato velmi rychle. Hodí se například pro přenos videohovorů, kde potřebujeme okamžitě reagovat. Kvůli nespolehlivosti UDP se však musíme smířit s občasnou horší kvalitou dat. TCP umí zajistit, že data dorazí všechna a bez chyb, avšak za cenu menší rychlosti. V současnosti přenáší většinu dat na internetu – například se využívá pro načítání webových stránek, posílání e-mailů nebo stahování souborů.

IP zajišťuje směrování, tedy hledá cestu, kudy data skrz síť půjdou. Kam doručit data zjišťuje podle IP adresy, která jednoznačně určuje každý počítač v síti. V současnosti existují dvě funkční verze protokolu: IPv4 a IPv6.

Protože IP adresy se lidem těžko pamatují, nahrazují se doménovými jmény, která bývají například součástí URL. Doménová jména jsou organizována do hierarchicky rozloženého systému, ve kterém je lze snadněji najít. Protokol DNS dokáže na dotaz z doménového jména zjistit IP adresu.

WiFi a Bluetooth jsou síťové protokoly, které přenáší data vzduchem. WiFi často slouží k vybudování malých sítí a připojování přenosných zařízení k internetu. Bluetooth se obvykle používá k propojení zařízení a přenosu dat mezi nimi na krátkou vzdálenost.

Některé další protokoly, se kterými se můžeme setkat:

• DHCP umožňuje automatickou konfiguraci počítače do sítě, mimo jiné umí přidělit IP adresu.
• HTTP komunikuje s WWW servery a umožňuje tak zobrazení WWW stránek.
• FTP dokáže přenášet soubory mezi počítači.
• SMTP posílá e-mailové zprávy.
• IMAP a POP3 umí zprostředkovat přístup k emailové schránce - například pro čtení e-mailů.
• IRC umožňuje posílání krátkých zpráv (chatování).
• SSH zajišťuje soukromé spojení mezi dvěma počítači.

Hardwarová část počítačových sítí je tvořena síťovými zařízeními, která jsou propojena přenosovými médii.

Síťová karta je součást hardwaru počítače a zajišťuje komunikaci s počítačovou sítí. Od počítače si bere data pro poslání do sítě, balí je do paketů a odesílá. Také přijímá ze sítě pakety a rozbalená data předává počítači. Síťová karta je v síti jednoznačně identifikovaná MAC adresou.

Síťová zařízení

Protože signál se může při cestě přenosovým médiem zeslabit nebo poškodit, používá se opakovač. Ten opraví a zesílí přijímaný signál a následně ho pošle dál.

Hub umožňuje spojení více kabelů a dokáže tak rozvětvovat síť do více směrů. Data, která přes něj procházejí, nijak nefiltruje, pouze je rozesílá dál.

Switch a bridge spojují menší segmenty sítě. Udržují si tabulku MAC adres zařízení ve svém okolí a posílají přicházející data jen do směrů, kde se nachází jejich příjemci. Zatímco bridge propojuje pouze 2 části sítě, switch jich umí spojit více najednou.

Router propojuje větší části sítí (nebo celé sítě) dohromady. Může například připojovat lokální síť k internetu. Zajišťuje směrování dat - pro příchozí pakety se snaží najít co nejkratší cestu k cílové IP adrese.

Přenosová média

Přenosové médium může být například vzduch nebo kabel. V počítačových sítích se používají například tyto druhy kabelů:

Optický kabel se skládá z mnoha optických vláken. Signál se jím posílá v podobě světla. Přenos skrz optické kabely je velmi rychlý a málo ztrátový, jsou vhodné pro přenosy na velké vzdálenosti.

Kroucená dvojlinka a koaxiální kabel jsou tvořené kovovým vodičem. Často se používají k budování lokálních sítí.

Zapojení síťového kabelu umožňuje konektor RJ-45.