Lekce 9 - Sítě - Fyzický přenos, MAC adresy a protokoly
V minulé lekci, Sítě - Internet Protokol - Hlavička, jsme si popsali jednotlivá pole IP hlavičky a vysvětlili jejich funkci v dnešním Internetu. Zabývali jsme se fragmentací paketů a dalších alternativních metodách.
V tomto tutoriálu základů sítí si vysvětlíme, jak se fyzicky přenáší bity. Také se blíže podíváme na síťové karty. Dozvíme se, co to jsou MAC adresy a jaké používáme protokoly pro přenos dat.
Jak se vlastně přenášejí bity?
Předpokládám, že víte, co je to bit, a že veškeré operace, které provádí komponenty počítače, se reprezentují v digitální podobě – tedy v rozdílech napětí, které zapisujeme jako jedničky a nuly.
Při komunikaci mezi dvěma zařízeními se bity přenášejí většinou (alespoň co se týče interiérových sítí, pro přenos na veliké vzdálenosti se používají jiné technologie) po měděných kabelech, které mají na obou koncích konektor RJ-45 (nebo také Ethernetový konektor).
Tento konektor se zapojuje do síťových karet (viz dále), které se starají o vysílání a přijímání signálu. Podoba Ethernetového signálu znázorněného v grafu napětí je následující:
Jak je vidět, síťová karta vysílá signál tak, že mění napětí na vodiči ze záporného na kladné a opačně. Změna napětí ze záporného na kladné je interpretováno jako 1, a změna z kladného na záporné jako 0. Tyto změny se měří v pravidelných časových intervalech – na grafu jsou tato místa vyznačena červenými tečkami.
Pokud síťová karta přijímá signál rychlostí 10 megabitů za sekundu (Mb/s), tak se změna napětí započítává každou deseti-miliontinu sekundy, a rozmezí mezi tečkami v grafu výše by bylo tedy 100 nanosekund. Nyní můžeme signál dekódovat:
Tento úsek signálu lze tedy zapsat jako 1110 0110 0111 0001 000. K tomuto se vrátíme ještě u Ethernetové preambule, ale to až v dalším díle.
Signály se mohou tedy přenášet pomocí elektřiny, ale také např. opticky – bity jsou reprezentovány jako různé intenzity světla, které putuje skrz optické kabely.
Síťová karta
Alias NIC (Network Interface Controller – řadič síťového rozhraní) je zařízení, které přijímá a vysílá digitální signály. Je to v podstatě počítač v počítači, neboť má vlastní RAM, úložiště, CPU atd. Protože běžné počítačové CPU nedokáže zpracovávat informace z ethernetového signálu, musí síťová karta zpracovat informace do takové podoby, aby byly srozumitelné pro daný procesor.:
Síťová karta na obrázku je samostatná karta, který se zasouvá do základní desky. V dnešní době jsou však síťové karty přímo integrované na základních deskách (stejně jako zvukové karty), a jsou tedy jejich nedílnou součástí.
Vyrábějí se standardně s rychlostmi 10/100/1000 Mb/s. Pokud karta podporuje rychlost přenosu 1000 Mb/s, tak by měla podporovat i předchozí dvě rychlosti kvůli kompatibilitě (to samé platí pro 100 Mb/s karty). Nicméně čistě 10 Mb/s karty dneska nenajdete, jedná se o velmi zastaralou technologii, a prakticky nic nekomunikuje po síti takovou rychlostí.
MAC adresy
Aby mohly NIC posílat signály ostatním síťovým kartám, potřebují nějaký jedinečný identifikátor, kterým se od sebe vzájemně odliší – např. jednotlivé domy se identifikují státem, obcí, ulicí a popisným číslem. Síťové karty používají k rozlišení MAC adresy (někdy také nazývané fyzické adresy), což je 48 bitů dlouhé číslo, které se zapisuje jako 6 dvojic šestnáctkových čísel oddělených dvojtečkami či pomlčkami. Příklady MAC adres jsou tedy 8f:23:1a:87:ec:d4 nebo 90:0a:ee:65:7d:81.
MAC adresa je při výrobě zapsána do paměti síťové karty, a je neměnná (což není pravda, MAC adresu lze sice změnit, ale to není záležitost základů)
Teoreticky vzato by každá NIC na světě měla mít jedinečnou MAC adresu. O jedinečnost se stará organizace IEEE, která každému výrobci síťových karet na světě přiřadí první polovinu MAC adresy – tato první část je pro každou síťovou kartu od daného výrobce stejná, takže slouží jako identifikátor výrobce. Druhou polovinu si určuje výrobce sám a slouží tedy jako ID samotné karty.
Př.: v MAC adrese 88:99:aa:11:22:01 je 88:99:aa ID výrobce, a 11:22:01 je ID samotné karty.
MAC adresu svého NIC můžete ve Windows zjistit například přes
příkazový řádek pomocí příkazu ipconfig /all. V Linuxu
použijte příkaz ifconfig.
K některým údajům – konkrétně IPv4 adress, subnet mask, default gateway, DHCP a DNS se dostanu v průběhu seriálu.
Internetové protokoly
Výrobců síťového hardwaru je celá řada, a není možné, aby si každý definoval svoje technologie a způsoby komunikace – pak by síť postavená na technologiích jedné firmy mohla spojit pouze se sítěmi postavenými na téže technologii, a nikdy by se nepodařilo vytvořit globální Internet – tedy propojit všechny zařízení (PC, servery, síťové prvky).
Výrobci síťových zařízení se proto řídí doporučeními, které vydává IETF (ano, jsou to doporučení, ne standardy, nicméně ve vlastním zájmu se jimi řídí drtivá většina Internetu) – tyto doporučení se označují jako RFC dokumenty, a lze je najít na stránkách IETF: https://tools.ietf.org/, často na ně také odkazuje Wikipedie.
Jedná se tedy o dokumenty, které naprosto přesně popisují pravidla, jakým způsobem se mají posílat data, jak má vypadat infrastruktura sítí atd. (věci z tohoto článku jako MAC adresa, RJ-45 konektor nebo kabeláž jsou také popsané v RFC dokumentech). Výrobci konstruují svůj hardware přesně podle těchto doporučení, a to zajišťuje kompatibilitu.
Internetový protokol je potom souhrn pravidel pro nějakou část celkové komunikace internetu, a jeho popis může vydat na několik RFC dokumentů. Často je nějaký protokol vylepšen, ale RFC dokument, který popisuje jeho starou verzi, se nemaže! Vydá se nový dokument, který pouze odkazuje na ten starší.
Každý konkrétní protokol má samozřejmě svou specifikaci (většinou vydávaná skupinou IEEE nebo ISO), která popisuje jeho funkcionalitu a kterou musí výrobci dodržet, pokud chtějí o svém produktu prohlašovat, že daný protokol podporuje.
Jako příklad uvedu IP (Internet Protocol), ARP (Adress Resolution Protocol), TCP (Transmission Control Protocol), HTTP (Hypertext Transfer Protocol), nebo Ethernet – ten komunikuje právě za pomocí MAC adres, a bude rozebrán v následujícím díle.
V příští lekci, Sítě - Ethernet a rozbočovače, se podíváme na to, jak spolu komunikují zařízení v lokální síti (LAN). Dále se budeme věnovat struktuře rámce a vybraným síťovým prvkům.
