Kódovanie signálu

• informácia sa prenáša po prenosovom médiu siete prostredníctvom vhodných fyzikálnych veličín, napr. pri klasických kábloch je to elektrický signál, pri optických kábloch svetelné žiarenie
• pred vlastným prenosom je potrebné informáciu určitým spôsobom zakódovať, t.j. prideliť logickým hodnotám úrovne fyzickej veličiny.
• rozlišujeme dva základné typy prenosu:
• prenos v základnom pásme
• prenos v preloženom pásme (modulácia).

V rámci prenosu v základnom pásme sa používa niekoľko typov kódovania napríklad NRZ, NRZI, Fázová modulácia NRZ (nazývaná aj kód Manchester II), diferenciálna fázová modulácia (diferenciálny Manchester II), fázová modulácia RZ a pod. Prenos v preloženom pásme (modulovaný prenos) sa v lokálnych sieťach s klasickými
medenými káblami používa menej často. Modulácia je nutná pri prenose po optických kábloch.

Najčastejšie sa používajú tieto základné typy modulácie:

Amplitúdová modulácia

• je ľahko realizovateľná ale málo odolná proti nelineárnemu skresleniu aj proti rušeniu.
• vhodná je najmä na moduláciu zdrojov svetla na optických spojoch.

Frekvenčná modulácia
 
• oproti amplitúdovej je odolnejšia proti skresleniu i rušivým signálom
• vyžaduje väčšiu šírku pásma
• používa sa pri prenose údajov telefónnymi spojmi a rádiovými kanálmi.

Fázová modulácia

• dobre využíva frekvenčné pásmo
• používa sa pri prenose údajov telefónnymi kanálmi
• niekedy môže byť kombinovaná s amplitúdovou moduláciou.

Metódy prístupu na prenosové médium
 
• riešia problémy spojené s použitím zdieľaného elektrického alebo optického vedenia, prípadne i rádiového kanála metódy, ktoré umožnia prenášať údaje medzi ľubovoľnými stanicami bez toho, aby ich spojenie bolo rušené vysielaním inej stanice
• stratégia, ktorú používa stanica na sieti pre prístup k prenosovému médiu

Najčastejšie sa používajú tieto prístupové metódy:

• Statické prideľovanie
• Riadené (deterministické, distribuované) prideľovanie
• Náhodné (súperiace, pravdepodobnostné) prideľovanie

Statické prideľovanie

Kapacita prenosového spoja je pevne rozdelená do častí pridelených jednotlivým účastníkom

Frekvenčný multiplex (FDMA – Frequency-division multiple access)

• rozdelí celkovú frekvenčnú šírku kanála do niekoľkých, vzájomne výlučných, frekvenčných pásiem (každé slúži k prenosu určitých informácií) prideleným jednotlivýmuzlom
• tento spôsob je skôr typický pre prenos rôznych typov analógovej informácie (rozhlas, TV)

Časový multiplex (TDMA – Time division multiple access)

• typická pre siete LAN
• je metóda, ktorá sprístupňuje komunikačný kanál (prenosové médium) niekoľkým účastníkom súčasne
• každý uzol má pridelený celý prenosový kanál na istý časový úsek (slot), ktorého trvanie závisí od počtu uzlov, ktoré potrebujú vysielať a na pomernej dôležitosti (priorite) správ uzla, ktorému je časový slot pridelený
• jeden úsek musí byť venovaný synchronizačnej správe, nutnej k jednoznačnej identifikácii príslušných úsekov pre jednotlivé uzly

Obidve metódy nedokážu plne využiť kapacitu prenosového spoja a vedú k oneskoreniu paketov zúžením šírky pásma jednotlivého kanála pri FDMA alebo nutnosťou čakať na príslušný časový úsek pre TDMA.

Riadené (deterministické) prideľovanie – riadený prístup

• uzly získavajú prístup k prenosovému médiu v vopred určenom poradí
• je zaručené, že každý uzol získa prístup do siete v časovom intervale danej dĺžky (niekoľko μs až ms)
• efektívne v sieťach s náročnou prevádzkou
• podľa poradia, v ktorom stanice získavajú prístup k médiu, sa delí na:
• centralizované prideľovanie – poradie je dané serverom (napr. polling)
• decentralizované prideľovanie – poradie je dané fyzickým (logickým) usporiadaním uzlov (napr. token passing)

Náhodné (súperivé) prideľovanie – náhodný prístup

• iba v sieťach, kde sú prenosy rozosielané všetkým uzlom približne v rovnaký okamih
• okamih svojho prístupu na kanál určujú všetky uzly samostatne na základe vlastného odhadu
• nedokážu síce vylúčiť situácie, keď je vysielanie jednej stanice znehodnotené súčasným vysielaním inej stanice, ale snažia sa počet týchto kolízii minimalizovať a udržať čo najväčšiu priepustnosť údajov aj pri veľkom zaťažení kanálov
• ak uzol chce vysielať, skontroluje linku – ak je linka obsadená, alebo ak prenos uzla koliduje s nejakým iným prenosom, je prenos zrušený – uzol potom čaká náhodne dlhú dobu, než skúsi prístup znova
• so zvyšovaním záťaže v sieti, klesá efektivita metódy
• medzi metódy s náhodným prístupom patria:

• CSMA/CD
• CSMA/CA

Centralizované prideľovanie
 
• ak existuje v sieti jedna centrálna stanica (uzol), táto môže byť poverená úlohou prideľovať kapacitu prenosových kanálov tým podriadeným uzlom, ktoré ju skutočne
potrebujú.
• výhodou je lepšie využitie prenosovej cesty, časť kapacity je však potrebné venovať na prenos požiadaviek.
• existujú dva typy centrálneho prideľovania:
• Prideľovanie na žiadosť (request)
• každý uzol má pre seba vyhradenú malú časť prenosovej kapacity kanála, v ktorej môže kedykoľvek žiadať centrálny uzol o pridelenie voľného prenosového kanála.
• po potvrdení potom uskutoční prenos údajov, uvoľnenie kanála oznámi opäť centrálnemu uzlu.
• Prideľovanie na výzvu (pooling)
• používaná najmä v sieťach s jedným centrálnym počítačom a k nemu pripojenými terminálmi
• v dnešných LAN sa príliš nepoužíva

Prideľovanie na výzvu (pooling)

• plne riadi centrálny uzol – controller (poller), ktorý sa, v dopredu danom poradí, periodicky spytuje všetkých podriadených uzlov, či nemajú údaje na vysielanie
• ak áno, dopytovaná stanica ich hneď odošle.
• ak nie (uzol nemá údaje pripravené na vysielanie), odpovie iba potvrdzovacím paketom, alebo neodpovie vôbec
• uzol môže pristúpiť k sieti iba ak je k tomu vyzvaný

Token passing (predávaním tokenu, pešeka)

• zaručuje bezkonfliktné prideľovanie zdieľaného kanála jednotlivým uzlom tak, že je možné zaručiť aj maximálnu dobu oneskorenia paketu.
• nie je potrebná existencia centrálneho uzla, ktorého výpadok by spôsobil zrútenie celej siete.
• algoritmus prideľovania kanála sa vykonáva na všetkých zúčastnených uzloch súčasne
• prístupová metóda, ktorá využíva špeciálny packet, tzv. token (pešek) k tomu, aby uzly v sieti boli informované o tom, že môžu vysielať
• Vysielať môže iba uzol, ktorý obdŕžal token
• token sa vytvára pri inicializácii siete
• za jeho vytvorenie je obvykle zodpovedný nejaký server alebo vopred určená stanica
• vygenerovaním tokena sú následne zahájené sieťové operácie
• token je predávaný z uzla do uzla podľa vopred danej sekvencie (logickej alebo fyzickej)
• token je v ľubovoľnom okamžiku:
• idle (dostupný)
• busy (používaný)
• siete vlastnia mechanizmy pre nastavenie priorít získania tokena

Proces predávania tokena:

1. uzol, ktorý obdrží idle token a chce vysielať, ho označí ako busy a pošle ho s pripojeným dátovým packetom ďalšiemu uzlu
2. dátový packet spoločne s tokenom je predávaný z uzla do uzla dokiaľ nedosiahne svojho adresáta
3. príjemca (adresát) potvrdí prijatý dátový packet zaslaním tokena (príp. tokena spoločne s dátovým packetom) späť odosielateľovi
4. Odosielateľ uvedie token opäť do stavu idle a predá ho ďalšiemu sieťovému uzlu

• siete vyžadujú prítomnosť tzv. aktívneho monitora (AM - Active Monitor) a jedného alebo viac pohotovostných monitorov (SM - Standby Monitor)
• úlohu AM plní spravidla uzol, ktorý token vygeneroval
• AM sleduje stav tokena a v prípade, že dôjde k jeho strate alebo poškodeniu (po istej dobe AM neprijme korektný token), vygeneruje token nový a obnoví tak prevádzku na sieti
• SM kontrolujú AM, či plní svoju činnosť a ak dôjde k jeho výpadku, tak jeden zo SM sa stáva novým AM a sieť sa tak stáva opäť funkčnou
• k tomuto účelu sú sieťové karty vybavené špeciálnymi obvodmi (agenti), ktoré dovoľujú uskutočňovať monitorovanie siete
• Medzi sieťové architektúry, ktoré pracujú na princípe predávania tokena patria:
• ARCnet
• Token-Ring
• Token-Bus
• FDDI28

Náhodné (súperiace) prideľovanie – náhodný prístup

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

• prístup k sieti získava uzol, ktorému sa ako prvému podarí pristúpiť k nečinnej sieti
• vychádza zo skoršieho návrhu prístupovej metódy CSMA a obohacuje ju o schopnosť detekcie kolízií
• metóda CSMA (Carier Sense Multiple Access) znižuje počet kolízií tým, že pred vysielaním testuje stanica obsadenosť kanála. Ak je kanál voľný, začne vysielať, ak nie, čaká na jeho uvoľnenie.
• metóda sa často uplatňuje v lokálnych sieťach, kde je test obsadenosti kanála ľahký (napríklad sieť Ethernet).

Princíp CSMA/CD:

1. uzol, ktorý chce vysielať informácie do siete, najprv počúva, či je sieť už nejakým iným uzlom využívaná (elektrická aktivita)

• non-persistent (nenaliehajúca) CSMA
• sieť voľná – uzol začne vysielať
• sieť obsadená – uzol náhodne dlhú dobu počká a potom opäť vykoná kontrolu obsadenia siete
• persistent (naliehajúca) CSMA
• sieť voľná – uzol začne vysielať
• sieť obsadená – uzol neustále počúva prevádzku na sieti a v okamihu, keď dôjde k jej uvoľneniu začne ihneď vysielať
• p-persistent (p – naliehajúca) CSMA
• sieť voľná– uzol začne s pravdepodobnosťou p ihneď vysielať a s pravdepodobnosťou 1-p počká jednu časovú jednotku, po ktorej znovu testuje obsadenie siete
• sieť obsadená – uzol neustále počúva dokiaľ sa sieť neuvoľní a potom postupuje rovnako ako v prípade, keď je sieť voľnáČasová jednotka je daná maximálnou dobou nutnou k rozšíreniu signálu po prenosovom médiu
• ak uzol zistí, že na sieti je kľud, pokúsi sa vyslať svoj packet, packet vyslaný uzlom sa šíri ku všetkým ostatným uzlom pripojeným do siete
• uzol ďalej pokračuje v sledovaní siete (sleduje, či je na sieti práve to, čo tam poslal – interferenciu s cudzou správou, skomoleným signálom) je možné, že dva (viac) uzlov na linke detegujú neprítomnosť aktivity súčasne a začnú vysielať v skoro rovnaký okamih. Toto má za následok vznik tzv. kolízie

2) každý uzol, ktorý detegoval kolíziu zruší svoj prenos vyslaním rušiaceho signálu – JAM, potom počká náhodne dlhú dobu a pokúsi sa k sieti pristúpiť znovu (bod 1)
náhodne dlhá doba (u každého uzlu iná) zaručuje pomerne vysokú pravdepodobnosť, že nedôjde znovu ku kolízii medzi rovnakými uzlami

V sieťach s CSMA/CD každý uzol počúva (prijíma) každý packet:

• uzol najprv skontroluje, či sa nejedná o fragment spôsobený kolíziou, ak áno, tak ju ignoruje
• ak sa nejedná o fragment, uzol skontroluje jeho cieľovú adresu a pokiaľ nastane jeden z nasledujúcich prípadov ho spracuje:

• cieľová adresa je adresou tohoto uzla
• packet je súčasťou tzv. broadcastu (vysielanie určené pre všetky uzly)
• packet je súčasťou tzv. multicastu (vysielanie určené určitej skupine uzlov) auzol je jedným z príjemcov
• schopnosť detegovať aktivitu na sieti a detegovať kolízie sú implementované hardwarovo priamo na sieťovej karte
• CSMA/CD podáva
• najlepšie výsledky iba pri miernej sieťovej aktivite
• najhoršie výsledky ak sa v sieti dátový tok skladá z množstva malých správ
• táto prístupová metóda je využívaná napr. v sieťach typu:
• Ethernet
• EtherTalk
• AT&T’s StarLAN
• snaha o vyhnutí sa kolíziám, inak podobna CSMA/CD
• je nutné dodržovať tzv. minimálne rozstupy medzi nasledujúcimi packetmi

Princíp CSMA/CA

1. sieťový uzol bude predtým, než zaháji vysielanie, počúvať aktivitu na sieti

• ak áno, počká náhodne dlhú dobu a potom sa pokúsi k sieti pristúpiť znovu
• ak je na sieti voľno (je nečinná), uzol vyšle signál RTS (Request To Send)

2. v prípade, že sa nejedná o broadcast

• RTS je adresovaný konkrétnemu uzlu
• vysielajúci uzol čaká na signál CTS (Clear To Send), ktorým adresát odpovie na RTS
• Signály RTS a CTS musia byť poslané počas preddefinovaného časového intervalu v opačnom prípade odosielateľ predpokladá kolíziu
• Ak odosielateľ obdrží CTS, uskutoční sa prenos, ak nie prenos sa odloží

2. v prípade, že sa jedná o broadcast

• RTS je adresovaný na špeciálnu adresu, ktorá označuje broadcast (255)
• nečaká sa na CTS a okamžite začína prenos
• RTS slúžia viac ako prostriedok k upútaniu pozornosti, než ako žiadosť
• vyhýbanie sa kolíziám vyžaduje menej zložité obvody než detekcia kolízií
• kolíziám sa však nieje možné vždy vyhnúť, ak sa objavia - sú riešené programovo
• metóda CSMA/CA je využívaná v sieťach Apple MacIntosh

Sieťové normy a štandardy

Prenosová analógia

Rozdelenie adries

• fyzické adresy (Physical Address)
• logické adresy (Logical Address)
• názov železničnej stanice
• MAC adresa (Physical Address)
• jedinečná v celosvetovej sieti (48bit)
• meno cieľa ( nezávisle na prenose )
• IP adresa (Logical Address)
• jedinečná v celosvetovej sieti (32bit)

Network Address, Host Address, Port

• dvojica: IP adresa (32bit) + Port number (32bit) určuje spojenie
• IP addresa obsahuje
• sieťová adresa (Network Address) – druh prenosu (auto/vlak)
• hostiteľská adresa (Host Address) – adresa stanice v prenose
• Port – input/output v hostiteľovi ( konečné stretnutie osoby v cieli)

Popisujú sieťovú komunikáciu, ktorá by nám mala umožniť spojenie navzájom si nie príliš podobných počítačov. Možnosti spojenia rôznych počítačov sa dosahujú tým, že tieto počítače používajú rovnaké komunikačné protokoly. Oficiálny sieťový štandard vytvorený medzinárodnou organizáciou pre štandardizáciu ISO.

USA štandard (vznikal pod gesciou MO), ktorý je dnes nazývaný „rodina protokolov TCP/IP“ t.j pravidiel komunikácie na jednotlivých úrovniach.

Transmission Control Protocol / Internet Protocol Open Systems Interconnection

OSI - Open System Interconnection

• model prepojenia otvorených systémov
• medzinárodný štandard pre organizáciu lokálnych sietí
• popisuje spôsoby, ako prepojiť najrôznejšie zariadenia za účelom vzájomnej komunikácie
• sedemvrstvová architektúra, definovaná v normalizačných materiáloch ISO
• sedem vrstiev tvorí hierarchiu začínajúcu fyzickými spojeniami na najnižšej úrovni a končiacu aplikáciami na najvyššej úrovni
• každá vrstva je daná presným vymedzením vykonávaných služieb
• každej vrstve prislúcha rozhranie so susednými vrstvami
• prináša oddelenie sieťového hardware od software
• zahrňuje dva modely komunikácie:
• horizontálny model na protokolovej báze – pomocou neho komunikujú programy alebo procesy rôznych počítačov
• vertikálny model na báze služieb – pomocou neho komunikujú vrstvy na jedinom počítači

Podľa OSI Modelu prebieha sieťová komunikácia v SIEDMICH na sebe nezávislých vrstvách.

• prvé štyri vrstvy sú pomerne exaktne definované
• ostatné tri vrstvy nemusia byť striktne použité tak, ako sú definované podľa tohoto modelu.

Teoreticky každá vrstva pridáva spredu k paketu dát vlastnú hlavičku s údajmi tejto vrstvy a na záver kontrolný súčet alebo informáciu o ukončení dát vrstvy.