Hálózati alapok

A könyv melléklet ezen része kifejezetten röviden foglalkozik a számítógép hálózatok alapjaival, nem pótolja egy rendes hálózatok könyv tartalmát. Viszont kellő alapot nyújt ahhoz, hogy elképzelni tudjuk a működésüket és fogalmunk legyen a használt technológiákról.

Ethernet

Az Ethernet egy 8db csavart vezetékpárt alkalmazó hálózatrendszer. Ebben minden állomás között pont-pont kapcsolat jön létre. A vezetékpárok galvanikusan le vannak választva mindkét oldalon egy-egy leválasztó transzformátorral. Ezt újabban már a hálózati kábel foglalatába beleépítik. Az Ethernet csatlakozója az RJ–45.

Két pont közötti távolság maximum 100 méter lehet, bár kábeltől függően ez lecsökkenhet 80 méterre is. Attól függően, hogy hány vezetékpárt közünk be, a hálózat sebessége változik. 10, 100 és 1000Mbps változatokat különböztetünk meg, melyek mindegyike visszafelé kompatibilis. Tehát egy 1000Mbps hálózaton használhatunk 10 és 100Mbps eszközöket egyaránt.

A használt vezetékek a hálózat sebességének függvényében eltérőek, felépítés és a csatlakozó bekötése szempontjából is. A vezetékek kategóriákra vannak osztva. Létezik CAT 3 (10Mbps), CAT 5 (100Mbps) és CAT 7 (1000Mbps) kábel.

A kábel bekötése sebesség-és eszközfüggő. Eszköz függés miatt minden bekötésből kétféle létezik: Az egyeneskötésű és a keresztkötésű kábeltípus. Keresztkötésű kábelt olyan helyen kell alkalmazni, ha két passzív eszközt kötünk össze valamilyen aktív eszköz nélkül (Pl. két számítógép, vagy több számítógép hub-on keresztül.). Az egyeneskötésű kábelt pedig minden olyan esetben, ha aktív eszközön keresztül kapcsolunk össze két, vagy több eszközt. Az aktív eszközök többségének egyébként mindegy, hogy keresztkötésű, vagy egyeneskötésű kábellel van összekötve. A bekötések A és B típusra vannak bontva.

Egyenes kötésű akkor lesz egy kábelünk, ha mindkét végén a dugó A szabvány szerint van bekötve (Opcionálisan alkalmazhatunk 2db B bekötést is). Keresztkötésű lesz a kábelünk akkor, ha az egyik oldalán a csatlakozó A szabvány szerint van kötve, míg a másik oldalán B szabvány szerint. Ezt a kábeltípust a gyárilag készített kábelek esetén crossover kábelnek nevezik.

Magasabb hálózati sebességre tervezett kábelt alkalmazhatunk alacsonyabb sebességű hálózatok esetén is abban az esetben, ha a hálózati kábelen csak hálózati jeleket továbbítunk. Alacsonyabb sebességű hálózatok esetén az átvitelre nem használt lábak szállíthatnak elektromos áramot is, amely alkalmas a hálózati eszköz működtetésére. Ezt nevezzük Power over Ethernet-nek (PoE). Először az ilyen megoldások gyártó specifikusak voltak, de mára már teljesen szabványos megoldás. Szabvány szerint maximum 48V egyenfeszültség továbbítható 350mA áramerősséggel, ami 16,5W teljesítmény átvitelére alkalmas.

Hálózati eszközök fajtái

Hálózati eszközökből megkülönböztetünk aktív és passzív eszközöket. Azonban ez nem a tápfeszültség igényükre vonatkozik, hanem a hálózati működésükre. A passzív eszközök ilyen szempontból a legbutábbak, míg az aktív eszközök „úgymond” okosabbak. Passzív eszközök a repeater és a hub, aktívak pedig a switch és a router.

• repeater

  A repeater nem más, mint egy ismétlő. Olyan helyeken alkalmazzák, ahol a vezeték hossza több, mint a maximálisan megengedett 100 méter. Ekkor 100 méterenként egy ismétlőt kell elhelyezni, ami a bemeneti portján érkező adatot átpakolja a kimeneti portjára.

• hub

  A hub egy csillagponti elosztó. Minden pontja bemenet és kimenet is. A beérkező jelet szétosztja minden kimeneti pontján. A valóságban minden hub egyben egy ismétlő is.

• switch

  A switch egy okosabb hub, mivel a beérkező jelet csak arra a vezetékre továbbítja, amelyiken a cél állomás található, így csökkenti a hálózat terhelését. Erre úgy képes, hogy az OSI modell második rétegében dolgozik és figyelembe veszi a küldő és célállomás MAC címét a továbbítás előtt. Bekapcsolása pillanatában nem ismeri a hálózati topológiát, ezért bekapcsolása után feltérképezi a hálózat számára releváns részleteit.

• bridge

  Alhálózatok összekapcsolására alkalmas eszköz, a Switch-hez hasonlóan az OSI modell második rétegében dolgozik, ezért nem képes útvonal-választási feladatok megoldására, mint a Router. Általában a fejlettebb Switch-ek rendelkeznek Bridge funkcióval is.

• router

  A router hálózatok összekapcsolására alkalmas. Definíció szerint két portja van. Egy WAN port, ami egy másik hálózathoz kapcsolódik, és a LAN port, ami ahhoz a hálózathoz, amiben a router van. Valóságban azonban a legtöbb router egyben egy switch is, tehát több LAN portja van. Annyival fejlettebb a bridge-nél, hogy a router képes különbséget tenni az alhálózatok között és közöttük útvonal-választási preferenciák beállíthatóak.

Az OSI modell

Az OSI modell a nyílt rendszerek összekapcsolásának referenciamodellje. Azért alkották meg, hogy a számítógépes hálózatok összekapcsolhatóak legyenek implementációtól függetlenül. A valóságban csak papíron létezik, sosem alkalmazták teljes mértékben, csak egyes részhalmazait. Gyakorlatban a TCP/IP ötrétegű modellje van használatban az OSI 7 rétege helyett, mivel a teljes OSI megvalósítás feleslegesen bonyolult lenne.

A hét réteg közös tulajdonsága, hogy minden réteg csak az alatta lévő réteg szolgáltatásaira építhet, valamint a réteg a szolgáltatásait csak a felette álló réteg számára nyújthatja. Így gyakorlatilag két állomáson felépített modell egyes rétegei csak egymással kommunikálhatnak.

1. Fizikai réteg

   A fizikai réteg definiálja az eszközökkel szemben támasztott fizikai-és villamos specifikációt, ami kell a hálózat működéséhez. Ez a réteg konkrétan bitek sorozatával dolgozik. Hálózati eszközökből a hub és a repeater dolgozik ezen a szinten.

2. Adatkapcsolati réteg

   Azokat a funkciókat és eljárásokat biztosítja, amelyek lehetővé teszik az adatok átvitelét két hálózati elem között. Jelzi, illetve lehetőség szerint korrigálja a fizikai szinten történt hibákat is (megjegyzés: gyakorlatban mára ez a feladat az IP protokoll része, így nem igen használt ezen rétegben). A használt egyszerű címzési séma fizikai szintű, azaz a használt címek fizikai címek (MAC címek), amelyeket a gyártó fixen állított be hálózati kártya szinten.

3. Hálózati réteg
   Biztosítja a változó hosszúságú adatsorozatoknak a küldőtől a címzetthez való továbbításához szükséges funkciókat és eljárásokat úgy, hogy az adatok továbbítása a szolgáltatási minőség függvényében akár egy, vagy több hálózaton keresztül is történhet. A hálózati réteg biztosítja a hálózati útvonalválasztást, az adatáramlás ellenőrzést, az adatok szegmentálását/deszegmentálását, és főként a hibaellenőrzési funkciókat. Az útvonalválasztók (router-ek) ezen a szinten működnek a hálózatban. Itt már logikai címzési sémát használ a modell-az értékeket a hálózat karbantartója adja meg egy hierarchikus szervezésű címzési séma használatával. Ez lesz az IP cím. Ebből jelenleg két változat van használatban: a 4-es és 6-os.

4. Szállítási réteg

   A szállítási réteg biztosítja, hogy a felhasználók közötti adatátvitel transzparens legyen. A réteg biztosítja, és ellenőrzi egy adott kapcsolat megbízhatóságát. Néhány protokoll kapcsolatorientált. Ez azt jelenti, hogy a réteg nyomon követi az adatcsomagokat, és hiba esetén gondoskodik a csomag vagy csomagok újraküldéséről. A legismertebb 4. szintű protokoll a TCP, de ebbe a rétegbe tartozik az UDP protokoll is.

5. Viszony réteg

   A viszony réteg a végfelhasználói alkalmazások közötti dialógus menedzselésére alkalmas mechanizmust valósít meg. Jellegzetes feladata a logikai kapcsolat felépítése és bontása, párbeszéd szervezése. Szinkronizációs feladatokat is ellát, ellenőrzési pontok beépítésével. Gyakran az együttműködési réteg elnevezéssel is illetik.

6. Megjelenítési réteg

   A megjelenítési réteg felelős az információ formázásáért és eljuttatásáért az alkalmazási rétegnek, ahol a további feldolgozás, illetve megjelenítés történik. Gondoskodik róla, hogy az alkalmazási rétegnek már ne kelljen foglalkoznia a végfelhasználói rendszerek esetleg különböző adatértelmezési módszereiből származó szintaktikai eltérésekkel.

7. Alkalmazási réteg

   Az alkalmazási réteg szolgáltatásai támogatják a szoftver alkalmazások közötti kommunikációt, és az alsóbb szintű hálózati szolgáltatások képesek értelmezni alkalmazásoktól jövő igényeket, illetve, az alkalmazások képesek a hálózaton küldött adatok igényenkénti értelmezésére. Az alkalmazási réteg protokolljain keresztül az alkalmazások képesek egyeztetni formátumról, további eljárásról, biztonsági, szinkronizálási vagy egyéb hálózati igényekről.

A TCP/IP modell

A TCP/IP rövidítés az internetet is felépítő protokoll struktúrát jelenti. Nevét a TCP és IP protokollokból kapta, az OSI modell gyakorlatban is létező megvalósítása. A rétegek neve és feladata többnyire megegyezik az OSI modellben tárgyaltakkal, de némiképpen egyszerűsítve vannak.

1. Fizikai réteg
   A fizikai réteg továbbítja az adatkapcsolati rétegtől kapott kereteket a hálózaton. A fogadó oldalon ugyanez a folyamat játszódik le visszafelé, míg az adat a fogadó gép alkalmazásához nem ér.

2. Adatkapcsolati réteg

   Az adatkapcsolati réteg szintén hozzárakja a kapott adathoz a saját fejlécét, és az adatot keretekre bontja. Ha a kapott adat túl nagy ahhoz, hogy egy keretbe kerüljön, feldarabolja és az utolsó keret végére egy úgynevezett tail-t kapcsol, hogy a fogadó oldalon vissza lehessen állítani az eredeti adatot.

3. Hálózati (Internet) réteg

   A szállítási rétegtől kapott header-adat pároshoz hozzáteszi a saját fejlécét, amely arról tartalmaz információt, hogy az adatot melyik végpont kapja majd meg.

4. Szállítási réteg

   Az alkalmazási rétegtől kapott adat elejére egy úgynevezett fejlécet (angolul: header) csatol, mely jelzi, hogy melyik szállítási rétegbeli protokollal (leggyakrabban TCP vagy UDP) küldik az adatot.

5. Alkalmazási réteg

   Az alkalmazási réteg a felhasználó által indított program és a szállítási réteg között teremt kapcsolatot. Ha egy program hálózaton keresztül adatot szeretne küldeni, az alkalmazási réteg továbbküldi azt a szállítási rétegnek.

Protokollok, technológiák

A modellek ismertetése önmagában nem elég a hálózat működésének megértéséhez, bár jó alapot biztosítanak hozzá. Ebben a szekcióban az egyes fontosabb technológiákkal és protokollokkal részletesebben foglalkozok, amik ismerete mindenképpen kell a hálózatok megértéséhez.

IP protokoll

Az IP protokoll felelős egy hálózaton belül a gépek logikai címzéséért. Két változata van jelenleg használatban: a négyes (IPv4) és hatos (IPv6). A négyes verzió 1981-ben jelent meg. Ez 32 bites címmel azonosítja az eszközöket. A 32 bites címet byte-onként adjuk meg decimális formában, pontokkal elválasztva. 32 bit segítségével picivel több, mint 4,2 milliárd eszköz címezhető meg egyszerre. A szabvány kidolgozói gondoltak arra, hogy az elérhető címek előbb-utóbb el fognak fogyni, ezért azt a megoldást találták ki, hogy az internetet felbontják alhálózatokra. Ez konkrétan azt jelenti, hogy az interneten címezhető eszközök (hostok) rendelkezhetnek két címmel. Egy külső, publikus címmel és egy belső, hálózati címmel. Így a belső hálózaton szintén 4,2 milliárd gép címezhető, ha a belső hálózatot nem bontja egy host további hálózatokra. A hálózatokra bontás eszköze a router, a belső címére érkező adatcsomagokat továbbítja a külső hálózat felé, és fordítva is.

Ez a címzési séma egy ideig bevált, azonban a hálózatok egy idő után elkezdtek bonyolódni. A protokoll kidolgozói felismerték, hogy hosszútávon nem megoldás ez a címzési séma. Ezért sok huzavona után elkészült az IP protokoll hatos verziója. Érdekességképpen megemlíthető, hogy bár volt a protokollnak ötös verziója is, de ezt sosem használták, helyette a javított hatos verzió terjedt el. Ezt mára a legtöbb operációs rendszer támogatja. A hálózati eszközökről ez már sajnos nem igen mondható el. Szerencsére tud a protokoll IPv4-es hálózati eszközökön keresztül is működni egy speciális módban, de ezt sem minden támogatja jelenleg. A hatos verzió 128 bites címeket használ. Így elméletileg 3,402 x 10³⁸ darab host címezhető meg egyidejűleg. Ez egy hatalmas szám, olyan nagy, hogy ha kivitelezhető lenne, adhatnánk a levegőben található összes molekulának egyedi címet, és még akkor is maradni ki címünk. A hatos verzió felépítésével nem foglalkozok a könyv keretein belül, mivel a beágyazott eszközök többsége a négyes verziót alkalmazza.

A kiosztható címeket három osztályba soroljuk. A címosztályok meghatározzák, hogy a teljes címtartomány hány darab hálózatra és hostra bontható fel. Ettől a címzési rendszertől el lehet térni.

Cím osztály	Cím kezdőbitek	Hálózat azonosító	Host azonosító
A	0	8 bit	24 bit
B	10	16 bit	16 bit
C	110	24 bit	8 bit

Minden cím mellé lesz egy alhálózati maszk. Ez határozza meg egy IP címből a hálózat címét. Ez a hálózatok további felbontása és összekötése érdekében kell. A maszk szintén 32 bites. Ahol binárisan egyes értéket képvisel, azon bitek határozzák meg a hálózat címét. A maszk és az IP cím között elvégzett bináris ÉS művelettel fogja tudni megállapítani a hálózati címet bármelyik eszköz. Egy C osztályú IP cím esetén a maszk első 24 bitje csupa egyes, utolsó nyolc bitje pedig 0. Ha ezt az IP címek esetén megszokott módon leírjuk, akkor azt kapjuk, hogy a maszk értéke: 255.255.255.0

IP cím osztályon belül olyan host cím nem adható meg, amely csak nullákat és egyeseket tartalmaz. Ezek fenntartott címek. A csupa nullás host jelenti a hálózat címét, míg a csupa egyeseket tartalmazó az úgynevezett broadcast cím, amelyre ha üzenetet küldünk, akkor az adott hálózat összes gépe megkapja.

Amennyiben a hálózatunkat össze szeretnénk kapcsolni egy másik hálózattal, meg kell adnunk még egy címet, mégpedig az alapértelmezett átjáró címét. Ez egy olyan állomás címe lesz, amely kapcsolatban van a saját hálózatunkkal és egy másikkal is. Általában ez a legelső elérhető host címet kapja, vagy az utolsót. De ettől tetszőlegesen el lehet térni.

MAC-cím

Minden hálózati eszköz rendelkezik egy fizikai címmel. Ez fogja egy hálózaton belül ténylegesen azonosítani az eszközt. Ez egy 48 bites szám, amelyet hexadecimális formában adnak meg, byte-onként kötőjellel elválasztva. A szám 24 bitje az eszköz gyártóját és/vagy forgalmazóját azonosítja. A számsorozat ezen részének kiosztását egy nemzetközi szervezet felügyeli, míg a maradék 24 bit kiosztásáért a gyártó felelős. Egyes operációs rendszerek és eszközök esetén ez szoftveresen felülbírálható különböző okok miatt. Ha egy hálózaton belül két azonos fizikai című gép van, az komoly problémákat okoz.

TCP / UDP

Az IP protokoll önmagában csak az állomások logikai címzését biztosítja. Azt már nem, hogy az üzenet elérjen a küldőtől a fogadóig, mivel ez a szállítási protokoll feladata. Szállítási protokollok közül a legelterjedtebbek a TCP és az UDP.

A TCP protokoll maximum 64Kb-os darabokra bontja a küldendő üzeneteket, majd ezeket a csomagokat továbbítja. A protokoll garantálja az üzenetek hibamentes célba juttatását. A címzett gép minden fogadott csomag után egy visszajelzést küld a feladónak. Amennyiben a csomag elveszne a küldés során, akkor a feladó újraküldi a csomagot.

Az UDP egy összeköttetés-mentes protokoll. Ez azt jelenti, hogy a feladó feladja a csomagot, de nem kér a fogadásról visszajelzést a vevőtől. Így nem garantált az üzenetek célba érkezése, de mivel ellenőrző összeg tartozik minden csomaghoz, a hibás kézbesítés felismerését lehetővé teszi. Leginkább olyan helyeken alkalmazott ezen szállítási protokoll, ahol az üzenet újbóli átvitele könnyen megoldható egy egyszerű ismételt lekéréssel. Például a DNS szolgáltatás UDP szállítással kommunikál.

DNS

A DNS szolgáltatás teszi azt lehetővé, hogy ne kelljen számszerű IP címeket megjegyeznünk. Segítségével a számítógépeket nevük és tartományuk alapján címezni tudjuk. Egy hálózatot a DNS szolgáltatás egymásra épülő, szintekből álló, névvel ellátott tartományra bont.

Technikai oldalról a DNS nem más, mint egy osztott adatbázis. Az osztott kifejezés adatbázisok esetén azt jelenti, hogy nem egy gépen tárolódnak az adatok.

Egy hálózati konfiguráció során minden esetben meg kell adnunk egy DNS kiszolgáló címét. Ezen kiszolgáló felé indulnak majd el a névfeloldási kérelmeink. Amennyiben az adott szerveren nem találhatóak meg a kért adatok, akkor a szerver átirányítja a kérést egy olyan szerver felé, amely rendelkezik információval a névhez tartozó címről.

DHCP

Egy hálózat működőképességéhez elengedhetetlen, hogy a hálózatra kapcsolt gépek ugyanazt a cím osztályt alkalmazzák. Ezt manuálisan konfigurálni sok gép esetén kényelmetlen. Ezért találták ki a DHCP protokollt, ami központi konfigurációt és automatikus címkiosztást tesz lehetővé MAC cím alapján.

Portok

Az IP címek az egyes gépek azonosítására, a portok pedig a hálózati kommunikációban résztvevő programok megjelölésére szolgálnak. A portok címzése 16 bites, vagyis összesen 65536db port létezik. A portok kiosztása az első 1024 port esetében közmegegyezés alapján előre meghatározott alkalmazások számára fenntartott. A további portok kiosztása dinamikus, azaz az alkalmazás addig foglalja le az adott portot, amíg szüksége van rá, majd felszabadítja. Ezzel a megoldással elkerülhető, hogy a népszerű és fontos hálózati szolgáltatások ne tudjanak kommunikálni. A fontosabb szolgáltatások és programok által használt portokat az alábbi táblázat foglalja össze:

Szolgáltatás, program	Használt port	Szállítási protokoll
HTTP	80	TCP
HTTPS	443	TCP
FTP	20, 21	TCP
Telnet	23	TCP/UDP
SSH	22	TCP
DNS	53	UDP
DHCP	68, 67	UDP

A programok által használt portok listájáról egy részletes leírás a https://hu.wikipedia.org/wiki/TCP_%C3%A9s_UDP_portsz%C3%A1mok_list%C3%A1ja címen található.

Tags Alapok, Hálózatok, Ip, Ipv4, Ipv6, Tcp, Udp