Jak se plete počítačová síť
Vytvořeno ve spolupráci s Compexdata Bohemia

Představa nasazení informačních technologií v posledních letech již není spojena pouze s osamoceným uživatelem sedícím u počítače. Podívejme se například na rozvoj Internetu. Za několik let dokázal zcela zásadně změnit přístup k chápání jedné ze základních potřeb člověka, ke komunikaci. Osobní počítače dnes nejsou pouhým nástrojem v rukou odborníků a specialistů, ale stávají se stále častěji systémem pro předávání informací a komunikaci. Jejich integrace a masové rozšíření ovšem vyžaduje nejen změnu přístupu k distribuci informací, ale především maximální zjednodušení jejich obsluhy. Představa počítače na jeden "knoflík" zůstává ještě nenaplněna, ale je závislá na úrovni prostředků jejich vzájemné komunikace. Informační modul připojený na datovou síť s možností interaktivní komunikace s uživatelem se stal předmětem řady ambiciózních projektů.

Na světě neexistuje příliš mnoho míst s takovým významem pro rozvoj informačních technologií jako je vývojové středisko Xerox Palo Alto Research Center (PARC). Opravdová elita vědců z celého světa dokázala již v počátcích rozvoje osobních počítačů položit základy řadě technologií, které využíváme dodnes. Podívejme se uživatele zvládajícího obsluhu operačního systému díky grafickému uživatelskému (GUI) mnohem snadněji, než tápavé zápisy příkazů na příkazové řádce. Málokdo si ovšem uvědomí, že to byli právě vědci z PARC, kteří poprvé rozpracovali tuto problematiku.

Právě zde se zrodily také jedny z prvních projektů počítačových sítí. Pro řadu uživatelů je ovšem pojem počítačová síť zahalen rouškou tajemství a blikajících zařízení ukrytých za svazky kabelů. Již před několika lety jsme řešili problém výuky počítačových sítí na VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou. Vznikl projekt zaměřený na jednu z nejzajímavějších oblastí informačních technologií současnosti, který byl podpořen distributorem aktivních prvků SMC, firmou Compexdata Bohemia. Výsledkem je nejen řada rekonstrukcí informačních sítí a projekčně konzultační podpora spojená s projektem REPAIR 2000, ale především nalezená odpověď na otázku "Jak se plete počítačová síť".

Dobře provedená počítačová síť je základem funkce informačního systému v organizaci. Zajišťuje vzájemnou výměnu dat mezi uživateli, zprostředkovává komunikaci, dokonalé zálohování a ochranu vytvářených dat. Nejen pro školy je to jediné řešení, jak udržet informační systém v provozu bez dlouhodobých výpadků. Řadu aplikací lze instalovat na souborový server, který zaručí nejen jejich funkčnost, ale především ochranu před poškozením uživatelem nebo napadením počítačovými viry. Při budování počítačové sítě je důležité postupovat systematicky s ohledem na preferenci stabilního a bezpečného provozu.

Uplést počítačovou síť dnes již nemusí být pouze doménou špičkových specialistů. Výrazný pokrok v konstrukci a zjednodušení konfigurace aktivních prvků to umožní i nám. Následující minikurz projektování sítí jsme sestavili v úzké spolupráci síťových specialistů a mapuje nejdůležitější body, které je nutné provést při realizaci projektu sítě využívající dnes nejrozšířenějšího standardu Ethernet a Fast Ethernet.

Trocha teorie
Za pradědečka počítačových sítí můžeme považovat telegrafní a dálnopisné sítě budované v devatenáctém století. Moderní počítačové sítě jsou dnes tvořeny souborem standardů (Ethernet, Fast Ethernet, atd.) a protokolů (IPX, TCP/IP, atd.) zajišťujících vzájemnou výměnu dat mezi počítači a ostatním zařízením v síti. V organizacích používáme rychlé lokální sítě (LAN - Local Area Network) a pro Internet rozsáhlých světových sítí (WAN - Wide Area Network). V hustě zabydlených aglomeracích jsou lokální sítě propojovány do metropolitních sítí (MAN - Metropolitan Area Network). Běžnou lokální síť tvoří propojení aktivních prvků (HUB, SWITCH) pomocí kabeláže s počítači a ostatními zařízeními vybavenými síťovou kartou (NIC - Network Interface Card). Lokální síť může být například prostřednictvím routeru (brány) napojena na Internet.


Druhy počítačových sítí

Základem každé počítačové sítě jsou standardy tvořené souborem pravidel a procedur. Ty jsou schvalovány mezinárodní standardizační organizací a zaručují jednotnost v budování počítačových sítí po celém světě. V našem článku budeme pracovat pouze se standardem Ethernet (IEEE 802.3, datová propustnost 10 Mbps) a Fast Ethernet (IEEE 802.3u, datová propustnost 100 Mbps). Standard Gigabit Ethernet (IEEE 802.3z, datová propustnost 1000 Mbps) je pro realizaci běžné lokální sítě příliš nákladný. S jeho nasazením uvažujme do budoucna především v kritickým místech datových uzlů s extrémně zatíženými servery nebo v páteřních vedeních rozsáhlých sítí.

Díky snížení cen aktivních prvků v poslední době je vhodné uvažovat při budování nové sítě především se standardem Fast Ethernet. Získáváte tak jistotu dostatečného výkonu sítě do budoucna. Ethernet a Fast Ethernet lze kombinovat, ale v tomto případě je nutné sledovat u aktivních prvků a síťových karet, zda oba standardy podporují. U aktivních prvků SMC dodaných pro náš projekt firmou Compexdata Bohemia se jedná o parametr Dual Speed nebo 10/100.

Vzájemnou komunikaci počítačů a ostatních zařízení v síti zajišťuje soubor pravidel, který nazýváme komunikační protokol. Výměna informací probíhá často bez ohledu na typ operačního systému nebo počítače. Největší význam má v současné době díky Internetu protokol TCP/IP, který je podporován většinou operačních systémů. V lokálních sítích s Novell servery lze s výhodou použít protokol IPX. Vzájemné používání více komunikačních protokolů v jedné síti je samozřejmě možné, ale velmi často zbytečné.


Sítě peer to peer

Mezi počítači dochází díky vzájemné komunikaci ke sdílení a následné výměně dat realizované síťovým operačním systémem. Vyrábí je například firma Novell, Microsoft a řada dalších. Existují v podstatě pouze dva základní modely sdílení dat. Client-to-server (klient-server) je model při kterém je odpovědnost za realizaci sdílení dat striktně rozdělena mezi klienty a samostatné servery. Peer-to-peer model (rovný s rovným) naopak umožňuje přidělení odpovědnosti za realizaci sdílení dat libovolným počítačům v síti nastaveným jako server nebo klient.


Sítě client to server

Z hlediska údržby a bezpečnosti dat lze jednoznačně doporučit pro většinu organizací síť Client-to-server. Server je často jedinou jistotou pro bezpečné zálohování kritických dat. Při návrhu sítě je vhodné preferovat aplikace s možností síťové instalace a plovoucího licencování. Operačním systémem na serveru může být Novell, Linux, Windows NT Server nebo Windows 2000 Server. Cenově zajímavým řešením pro souborové služby je Linux server distribuce Red Hat s instalovaných balíčkem Mars-nwe nebo Samba.

Začněme topologií
Topologie počítačové sítě definuje rozložení jednotlivých zařízení a jejich vzájemné propojení pomoci přenosových cest (přenosy po vedení, bezdrátové a satelitní). Pro budování sítě použijeme v článku pouze přenosu po vedení. Sběrnicová topologie sítě se vytváří pomocí sdíleného koaxiálního kabelu RG-58. Jedná se starší řešení používané v řadě organizací a je nejlevnější alternativou budování počítačové sítě, kterou lze využít pouze pro standard Ethernet (10 Mbps). Pro standard Fast Ethernet (100 Mbps) a Gigabit Ethernet (1000 Mbps) jsou tyto rozvody nepoužitelné. Kritickým místem je existence společné sběrnice pro počítače na jednom segmentu sítě. Výpadek komunikace si vyžádá v řadě případů revizi celé délky sběrnice se všemi následky pro činnost organizace. Pro budování nové sítě nelze tuto topologii v žádném případě doporučit.


Sběrnicová topologie sítě (Ethernet)

Hvězdicová topologie sítě má proti sběrnicové nesporné výhody především v podpoře standardů Ethernet a Fast Ethernet. Je tvořena aktivními prvky sítě (HUBy a SWITCHe) propojenými kabelovým rozvodem twisted-pair (obsahuje kroucené páry vodičů). U kabelů twisted-pair je důležitým údajem kategorie kabelu (určuje kvalitu a přenosové vlastnosti kabelu). Pro standard Ethernet je nutné použít kabel Category 3 nebo vyšší. Pro standard Fast Ethernet používáme kabel Category 5 nebo vyšší.


Hvězdicová topologie sítě (Ethernet, Fast Ethernet a Gigabit Ethernet)

Pokud již vlastníte počítačovou síť vždy na začátku její rekonstrukce proveďte rozbor stávajícího stavu kabelových rozvodů a topologie sítě. Prakticky se mohou vyskytnout dva případy, které je nutné individuálně řešit při přechodu na Fast Ethernet úplnou nebo částečnou náhradou kabeláží Category 5. V topologii sítě určete nejvíc exponovaná místa počítačové sítě. V sítích client-server se jedná běžně o rozvody páteřních vedení mezi počítači klientů a serverem. V sítích pro provoz multimediálních aplikací nebo videokonferencí jsou to prakticky všechny aktivní prvky připojující jednotlivé účastníky seance.

Ostatní kabelové rozvody mohou být podle finančních možností zachovány, nebo nahrazeny. Pro připojení staré koaxiální sběrnice provedené kabelem RG-58 můžeme použít například Ethernet HUB (SMC3608TC-EZ) s BNC výstupem. Obecně je tento způsob propojení sítí levným řešením s výrazným vznikem kolizních stavů. V případě již existující hvězdicové topologie pracující na standardu Ethernet je možné připojit stávající kabeláž Category 3 s konektorem RJ-45 pouze prostřednictvím Dual Speed aktivních prvků. Typ kabelu poznáte podle popisky na izolaci. Je nutné také provést kontrolu, jestli není některých vodičů využito pro provoz běžné telefonní sítě.


Konektory používané pro standard Ethernet a Fast Ethernet

Pro zakončení kabelů používáme konektory. Liší se především technickými parametry, typem fixace a zapojeným počtem vodičů. Koaxiální kabely RG-58 jsou zakončeny vysokofrekvenčním konektorem BNC. Pro kabel Category 3 používáme konektor RJ-45 se čtyřmi zapojenými vodiči. V případě použití standardu Fast Ethernet nebo jeho kombinace se standardem Ethernet musí být použit kabel Category 5 s koncovkou RJ-45 s osmi zapojenými vodiči. Z obrázku je patrné, že koncovky RJ-45 se na pohled neliší. Rozdíl je v parametrech obou konektorů. Nejběžnějším typem optického vodiče je pár SC Fiber s konektorem SC. Fixace i cena konektoru je nákladná, a proto se snaží celá řada výrobců tyto náklady snížit použitím nových technologických řešení. Zřejmě největší ambice na prosazení má konektor VF-45 vyvinutý sdružením kolem firmy 3M. V našem článku nebudeme s optickými vodiči uvažovat. Jejich použití je vhodné především v případě vzdálených budov, nebo v průmyslovém prostředí. Přenosová rychlost je dána standardem Ethernet nebo Fast Ethernet. Pomocí optických vodičů lze navíc překlenout vzdálenosti až 2000 m. Optimalizací polohy aktivních prvků v síti se lze často vyhnout použití optického rozvodu a ušetřit nemalé finanční prostředky. Konektory pro všechny typy kovových vodičů se zásadě upevňují mechanicky pomocí fixačních kleští. Vodiče nikdy nepájíme! Došlo by k jejich poškození a ke ztrátě funkčnosti. Fixované konektory již nelze použít pro novou instalaci.


Fixační kleště pro kovové vodiče s konektory BNC a RJ-45

Zapojení konektoru RJ-45 je díky většímu množství vodičů složitější. Před fixací je nutné pečlivě zkontrolovat pozice vodičů na správných číslech výstupů (pinů). Standardně používáme kabelů Category 5, a proto je vhodné zapojit všech osm vodičů. Usnadníte si v budoucnu přechod na Fast Ethernet již připravenou kabeláží. Existuje jediná výjimka, kdy je nutné zapojení vodičů změnit. Jedná se o křížený kabel pro přímé propojení dvou počítačů bez použití aktivních prvků. Toto zapojení nikdy nepoužívejte při konstrukci sítě! Většina aktivních prvků v síti má přepínač křížení nebo druhý křížený port pro připojení dalšího aktivního prvku. Všechny vodiče kabelu jsou barevně označeny. Jejich barvy a vlastní zapojení vyplývá ze schémat na obrázku.


Zapojení konektoru RJ-45

Pro upevňování konektorů BNC na koaxiální kabel RG-58 se používá opět fixačních kleští. Ty nejsou ale vybaveny noži pro ořez izolace, který se provádí speciálním nástrojem. Fixační kleště lze zakoupit ve specializovaných obchodech za cenu 500 až 3000 Kč.


Realizace rozvodu pro počítačovou síť a možné úspory

I přes to, že se jedná o slaboproudou instalaci dbejte vždy při kladení vodičů na jejich bezpečné uložení v lištách, pokud možno ve vzdálenosti 20 cm od vodičů elektrického napětí (vzdálenost není kritická). Nejlépe je spolupracovat při pokládání vodičů s osobou, která má přehled o poloze elektrického rozvodu v organizaci. Kabely po fixaci konektorů můžeme prověřit pomocí testeru kabelů prodávaného ve specializovaných obchodech. Pokud dodržíte při instalaci sítě maximální vzdálenost 100 m (metry jsou vyznačeny na kabelu) a fixujete pečlivě konektory není použití testeru kritické. Kabely pokládejte vždy opatrně, nesnažte se je namáhat tahem nebo extrémním ohybem.

Při projektování počítačové sítě můžeme za cenu snížení profesionality provedení ušetřit především na částech zvyšujících přehlednost a odolnost sítě proti vnějším zásahům, kterými je instalační skříň (19" LAN rack) a zásuvky. Při použití instalační skříně a zásuvek tvoří síť kompaktní celek, který je odolný proti vnějším vlivům a poškození. Hlavní rozvody jsou realizovány pomocí drátových (tvrdých) vodičů. Aktivní prvky a počítače se připojují pomocí ohebných vodičů (lanka). Zvyšuje se tak odolnost a životnost rozvodů sítě.

Aktivní prvky HUB a SWITCH
Běžným zařízením používaným v počítačových sítích byl vždy HUB (rozbočovač). Dnes existuje proti jeho nasazení řada argumentů. HUB je aktivní prvek, který nemá příliš inteligence. Vše co přijde na jeho vstupy, hned posílá na všechny výstupy. Se zvyšujícím se provozem vznikají zbytečné kolize v síti a výrazné zpomalení komunikace. Naopak SWITCH (přepínač) obsahuje inteligentní přepínač a každou informaci posílá pouze na výstup, pro který je určena.


Management aktivních prvků vyšší třídy

U dražších zařízení (SMC Tiger SWITCH) se můžeme navíc podívat managementem SWITCHe do pomyslné "přepínací kuchyně" a pomocí monitorovací aplikace (EliteView) odhalit chyby v síti. Některé vlastnosti HUBů a SWITCHů včetně přepínačů pro kaskádní propojování jsou zobrazeny na obrázku.


Vzhled a vybavení aktivních prvků

Rozšiřovat množství přípojných míst (portů) u aktivních prvků lze prakticky dvěma základními způsoby. Nejjednodušší řešení je realizováno pomocí síťového kabelu připojeného na libovolný výstupní port jednoho HUBu a jeho propojení s přímým portem druhého HUBu. Toto řešení se nazývá kaskádování. Základním omezením pro kaskádování je spojení maximálně čtyř Ethernet HUBů ve vzdálenostech 100 m. Pro kaskádování Fast Ethernet HUBů jsou podmínky ještě přísnější. Podle doporučení CLASS 2 můžeme takto propojit maximálně dva Fast Ethernet HUBy ve vzdálenosti 5 m. Kaskádování Fast Ethernet HUBů podle CLASS 1 je nepřípustné. Pro kaskádování SWITCHů tato omezení neplatí.


Stohování aktivních prvků pomocí SCSI kabelů a zásuvných modulů

Některé typy aktivních prvků lze rozšiřovat pomocí SCSI kabelu propojujícího jejich datovou sběrnici. Délka kabelu je minimální a umožňuje vytvořit STACK (stoh). Výhodou je vysoká datová propustnost propojení dosahující téměř hodnot propustnosti datové sběrnice aktivního prvku (2 až 4 Gbps). Stohovatelné HUBy a SWITCHe jsou obecně dražší a lze je doporučit především do sítě, kde předpokládáme výrazný nárůst přípojných míst. Funkce některých typů aktivních prvků mohou být navíc rozšiřovány prostřednictvím zásuvných modulů. Lze tak například doplnit běžný modulární SWITCH pro kabeláž Category 5 o možnost připojení na FX Fieber. Při návrhu topologie sítě je nutné striktně sledovat délku vodičů. Maximální vzdálenost mezi prvky pro síť Category 5 je maximálně 100 metrů. Toto pravidlo platí obecně, výjimkou je pouze propojení dvou Fast Ethernet HUBů na maximální vzdálenost 5 metrů. Vzdálenost je možné zvýšit optimálním rozložením aktivních prvků, opakovačem nebo v kritických případech náhradou kovových vodičů za optické (až 2000 m).

Modelové situace
V následující kapitole se zaměříme na konkrétní aplikaci znalostí získaných v předchozí teoretické části. Zkusíme si "uplést" několik typů sítí. Zaměříme se především na školní případy, které se vyskytují v praxi a používáme je na VOŠ a SPŠ ve Žďáře nad Sázavou pro výklad teorie projektování počítačových sítí. U všech modelových situací najdete uveden v závorce příklad aktivních prvků firmy SMC Networks, na kterých byly modelové situace testovány. Pro detailní popis zařízení a samostudium doporučujeme navštívit informační server http://www.compexdata.cz/. Logem naší školy jsou označeny příklady zapojení, které přímo využíváme v provozu Fast Ethernet sítě.


Jednoduché propojení dvou počítačů

Velmi častým požadavkem na dovolené, nebo na cestách je propojení dvou počítačů pro realizaci přenosu dat. Pokud jsou tyto počítače vybaveny síťovými kartami v interním nebo PCMCIA provedení není nic jednoduššího. Realizaci spojení je možné provést speciálně zapojeným kabelem Category 5 bez použití aktivního prvku. Základní rozdíl v zapojení kabelu spočívá ve změně zapojení pinů 1, 2, 3, 6 v jednom z konektorů RJ-45.


Malá domácí síť

Řešení této situace je velmi jednoduché. Do sítě je nutné umístit jediný centrální aktivní prvek a tem pomocí vodičů o maximální délce 100 metrů připojit k osobním počítačům vybaveným síťovýma kartama. Podle finančních možností můžete použít HUB pro standard Ethernet (SMC 3605T) nebo Fast Ethernet (SMC 5604DS). Toto řešení není v žádném případě vhodné pro realizaci propojení více budov, které tvoří oddělené potenciály, např. samostatné rodinné domy. Prakticky dojde k poškození aktivního prvku. Jistým řešením jsou filtrační moduly vyráběné například firmou APC.


Síť pro organizaci nebo firmu

Příkladem může být počítačová učebna na škole připojená na jediný server. Předpokládáme zajištění maximální vzdálenosti do 100 metrů. Ideálním řešením této situace je aplikace jediného klasického nebo stohovatelného aktivního prvku Fast Ethernet. Vzhledem k cenám aktivních prvků je výhodnější upřednostnit SWITCH (SMC EZ1024DT) bez managementu před HUBem.


Rozsáhlá informační síť v organizaci

Návrh topologie této sítě již vyžaduje jisté zkušenosti. Obecně musíme vycházet především z množství použitých serverů a jejich specializaci. Například server pro ekonomickou divizi umístit na SWITCH ekonomické divize, do kterého jsou připojeni odpovídající uživatelé. Jednotlivé SWITCHe v divizích je nutné propojit Fast Ethernetem nebo Gigabit Ethernetem. V naší ukázce je použit jediný server pro celou organizaci. Má to často své výhody. Jádrem sítě by měl v tomto případě být SWITCH s managementem (SMC Tiger). Kritické místo sítě se nachází v místě spojení serveru a SWITCHe. Zde je velmi vhodné začít s aplikací Gigabit Ethernetu (SMC Tiger SWITCH s gigabit modulem). Jednotlivé divize jsou připojeny pomocí stohovaného HUBu, což je v současnosti neefektivní řešení. Pokuste se je nahradit SWITCHi.

Propojení vzdálených budov již nedoporučujeme realizovat bez detailní konzultace se specialistou. Obecně lze použít do 2000 metrů optický vodič FX Fiber jak pro standard Ethernet tak Fast Ethernet. Zásadním problémem je při nezávislých pozemcích schvalovací řízení a výrazně vyšší cena investice do optického rozvodu sítě a do aktivních prvků (SMC Tiger SWITCH s optickým modulem). Tuto situaci je velmi nevhodné řešit pomocí kovových vodičů!


Propojení vzdálených budov

tní kabelové rozvody mohou být podle finančních možností zachovány, nebo nahrazeny. Pro připojení staré koaxiální sběrnice provedené kabelem RG-58 můžeme použít například Ethern

Síťové karty
Síťové karty do počítačů vybírejte vždy s ohledem na použitý standard komunikace. Ideálním řešením je samozřejmě karta podporující oba standardy 10/100. Do přenosných počítačů je vhodné použít kombinované karty pro sběrnicovou a hvězdicovou topologii PCMCIA. Běžně je tento přechod řešen pomocí přídavného modulu přímo na kabelu. Připojení vlastních klientských stanic pomocí FX Fiber se v současné době díky vysokým nákladům nepreferuje. Situaci může ovšem v budoucnu změnit některý z nových propojení. Například zakončení pomocí konektoru VF-45 lze realizovat za 1/5 ceny konektoru SC. Pro detailní studium jednotlivých karet můžeme doporučit řadu interních karet PCI, které umožňují připojit kovové nebo optické vodiče Ethernet a Fast Ethernet pomocí konektorů BNC, RJ-45, SC nebo VF-45.


Provedení interních síťových karet

Instalace síťových karet je klasicky řešena pomocí běžných postupů. Nastavení komunikační rychlosti Ethernet / Fast Ethernet a režimu Half Duplex / Full Duplex probíhá u doporučovaných SWITCHů a dvourychlostních HUBů zcela automaticky. Například pokud budete mít ve stanici síťovou kartu SMC Ether Power 10/100 a tu připojíte pomocí plně zapojeného kabelu Category 5 na SMC EZ SWITCH 10/100 bude implicitně komunikovat na maximální možné rychlosti, což je Fast Ethernet a Full Duplex. Stav je indikován diodovým polem na SWITCHi a diodami LED na síťové kartě. Nastavení optimálního módu přenosu je dnes již řešeno u většiny síťových karet automaticky (Auto-Negotiation). Pro správnou funkci síťové karty je nezbytně nutné mít instalován ovladač pro používaný typ operačního systému provázaný s komunikačním protokolem (TCP/IP, IPX atd.) a používanou službou (Server, Client atd.). Pozor na použití Gigabit Ethernet adaptérů, mají jeden zásadní požadavek, jejich plný výkon využijete pouze na 64 bit PCI slotu. Standardní počítače jsou osazeny pouze 32 bit PCI sloty, ale karta v nich funguje jen na půl dechu.


Trunking může navýšit výkon komunikace se serverem, vyžaduje ovšem driver a switch

Dalším řešením je použití funkce Trunk, která prakticky umožňuje přenášet data paraelně po více kanálech (síťových adaptérech). Problém je ovšem v tom, že musíte mít speciální ovladač a funkci v managementu, která podporuje trunk řešení.


Takto vypadá management tentokrát od firmy 3COM pro datové spojení kanálů Port Trunk