4. diel - Siete - Internet a smerovanie dát

Tento článok obsahuje všeobecné informácie o tom, čo je vlastne Internet, aká je jeho štruktúra, ako pracujú routery a pod. Žiadne konkrétne detaily tu nenájdete, a nie je problém článok preskočiť a vrátiť sa k nemu až po prečítaní ďalších dielov - tie budú už zamerané na technické detaily.

LAN -> MAN -> WAN -> Internet

Najzákladnejším stavebným blokom Internetu sú LAN (local area network). Ako LAN sa označuje počítačová sieť, ktorá pokrýva malé územie. Najmenšie LAN sú tie v domácnostiach (2 - 5 zariadení), tie najväčšie spájajú treba niekoľko firemných budov (tisíce zariadení). Tiež môžeme povedať, že je to sieť, ktorá má jedného majiteľa (domáca sieť - rodina, firemnú sieť - spoločnosť). Na mape by mohli vyzerať takto:

Domácnosti, firmy a ďalšie inštitúcie si zariaďujú (a platí) pripojenia na Internet u poskytovateľov Internetového pripojenia - tzv. ISP (Internet service provider). ISP môže byť v jednom meste i viac, pre jednoduchosť budem predpokladať jedného. Všetky LAN v meste tým pádom vedú k tomuto ISP, sú navzájom prepojené, a dohromady tvoria sieť označovanú ako MAN (metropolitan area network). Tieto počítačové siete teda zvyčajne pokrývajú územie jedného mestá / obce, prípadne zahŕňajú aj priľahlé oblasti:

Ak prepojíme viac MAN, dostaneme WAN (wide area network). Tu sa neobmedzujeme na nejaké konkrétne území - WAN = spojenie dvoch alebo viacerých MAN. Môžeme mať teda WAN Zlín + Otrokovice, WAN Morava, WAN Česká republika, WAN Európa ...

A najväčší existujúci WAN - medzikontinentálne prepojenie väčšiny miest a štátov - práve to je Internet. Je to sieť domácností, firiem, ISP, rozvodových centier, atď. To všetko je pospájané ako medenými drôtmi, tak optickými vláknami. Internet umožňuje veľmi rýchly prenos informácií (doba putovanie signálu na koniec sveta a späť môže byť v stovkách milisekúnd). A tiež je vďaka svojej architektúre odolný voči výpadkom alebo poškodenia (čo bol pôvodný primárny účel pri jeho návrhu). Je to zabezpečené tým, že na väčšinu miest vedie viac spojov (ciest), výpadok elektriny alebo katastrofa v jednej oblasti nemusí teda nutne odstaviť prístup na Internet oblastiam iným - komunikácia bude prebiehať inokade. Najväčší škoda môže byť spôsobená narušením významného chrbticového spojenie - napr. Podmorských káblov v Atlantiku.

Poskytovatelia Internetového pripojenia

Už som spomenul, že domácnosti, firmy a ďalšie platia poplatky ISP za poskytovanie pripojenia na Internet. Otázka znie, komu platí títo ISP za prístup k internetu? A komu platí títo za prístup na Internet?

ISP sa člení na tri úrovne (tier): Tier 1, 2, 3.

Tier 1 ISP

Je ich celkom 15 (z toho 9 má HQ v USA). Sú to spoločnosti, ktoré majú v správe hlavné sieťové rozvodne Internetu a prepojenia medzi nimi. Jadrové rozvodne sú prepojené tak v rámci jednej spoločnosti, tak s rozvodňami niekoľkými ostatných Tier 1 ISP. Presnú svetovú mapu som nenašiel, ale takto by mohlo vyzerať rozloženie hlavných rozvodov v Európe:

Je vidieť, ako sa káble zbiehajú vo veľkých mestách, kde sú rozvodne. Od Británia potom vedie pás optických podmorských káblov stredom Atlantiku k pobrežiu USA.

Týchto 15 Tier 1 ISP tvoria tzv. Chrbticu internetu (Internet Backbone). Tier 1 ISP neplatia nikomu poplatky, naopak - každý, kto potrebuje prístup do globálneho Internetu, musí platiť poplatky Tier 1 ISP. Na túto chrbticová sieť sa napájajú buď Tier 2 ISP, alebo centrá najväčších svetových spoločností.

Tier 2 ISP

Čiže národné / regionálne ISP - poskytujú pripojenie v rámci svojho štátu (alebo jeho oblasti), a platí za pripojenie k chrbticovej Tier 1 sieti. Aj Tier 2 poskytovatelia môžu byť navzájom prepojení - všetky dáta tak nemusí putovať cez chrbticovej siete, a tým sa zabráni jej preťaženiu.

Veľké korporácie si opäť môžu v rámci zvýšenia spoľahlivosti či rýchlosti zariadiť pripojenie priamo s Tier 2 rozvodňami, ale ich hlavný účel je poskytnúť prístup Tier 3 ISP:

Tier 3 ISP

Alias lokálne poskytovateľ pripojenia - zvyčajne pokrývajú oblasť jedného mesta + jeho okolia. Za prístup k Internetu samozrejme platí poskytovateľom druhej úrovne.

Od týchto ISP si domácnosti a bežnej inštitúcie zaobstarávajú prístup k Internetu.

Architektúra (štruktúra) Internete

Internet sa v podstate skladá len z dvoch hlavných komponentov: router a spojenia (káblov). Úlohou routerov je dopraviť dáta, ktoré dostane, na správne cieľové zariadenie (PC, server, iný router). Schematický obrázok Internetu môže vyzerať napríklad takto (tie modré veci, to je všeobecná značka routeru):

Modré routery znázorňujú tie routery, ktoré nie sú spojené s koncovými zariadeniami - iba medzi sebou. Takéto sa nachádzajú v budovách lokálnych ISP a v centrálach Tier 2 a Tier 3 ISP. Ich úlohou je preniesť dáta cez Internet do cieľovej LAN, aby LAN router mohol preposlať dáta cieľovému zariadení.

Internet cloud

Ak riešime komunikáciu medzi dvoma zariadeniami (tu PC -> server) na úrovni protokolov (spracovanie, zostavenie paketov a rámcov), tak nás nezaujíma, koľko sa medzi nimi nachádza routerov, cez aké káble komunikácie prechádza, a pod. - proste predpokladáme, že si dáta cez Internet cestu samy "nájdu". Preto sa sieť routerov znázorňuje týmto spôsobom - ako "Internetový obláčik" (nepleťte si to s cloudovým úložiskom!).

IP adresy a routovanie

Možno ste si 2 odseku staré položili otázku: "Ako môžu routery presmerovať dáta na správne miesto? Ako môžu vedieť, kde sa aký stroj nachádza? "Začneme od začiatku:

Už v minulom diele som sa zmienil o IP adresách. Je to 32-bitová adresa, ktorú môžeme prideliť zariadenia (resp. Jeho NIC). Na Internete má (musí mať) každé koncové zariadenie jedinečnú IP adresu (áno, toto bol pôvodný zámer, ale vyskytol sa drobný problém - o tom sa dočítate v budúcom diele), a routery majú minimálne 2 IP adresy, pretože majú minimálne 2 NIC.

Zjednodušene: Routery vytvárajú vo svojej pamäti mapu, kde sa nachádzajú aké zariadenie (IP adresy) - tento proces sa nazýva Routing. A pomocou týchto máp - routovacích tabuliek - preposielajú dáta na cieľová zariadenia - tento proces sa označuje ako forwarding.

Routovanie

Routovanie je pomerne zložitý proces. Existuje niekoľko routovacích protokolov s netriviálnymi algoritmy. Jeho základný princíp je však vcelku jednoduchý:

Ak sú k routeru (A) pripojené koncové zariadenie priamo, môže si router (A) do svojej routovacej tabuľky uložiť ich adresy. Túto tabuľku potom prepošle svojmu "susednému" routeru (B). Ten si záznamy pridá do svojej routovacej tabuľky - ak dostane dáta pre nejaký PC, čo sa nachádza za prvým routerom (A), podľa svojej routovacie tabuľky rozhodne, že je dáta potrebné odoslať práve na prvý router (A). Router (B) potom zdieľa túto tabuľku so svojimi ďalšími susedmi, tí zase so svojimi, až sa informácie postupne rozšíri do všetkých routerov. Tak každý router vie, kde sa aké zariadenie nachádza, a na aké routery prípadne preposlať dáta.

Tabuľky sa odosielajú periodicky v určitých intervaloch (napr. 30 sekúnd) - keď sa pripojí nové zariadenie, za niekoľko minút o ňom môže vedieť celý Internet.

Znie to celkom jednoducho, a to preto, že to tak žiaľ reálne nefunguje. Na svete je vraj 3x viac zariadení než ľudí, a keby mal každý router mať v tabuľke každej konkrétne zariadenie, a túto tabuľku navyše periodicky posielať susedom ... Prakticky nerealizovateľné. Našťastie majú routery uľahčenú prácu, pretože IP adresy nie sú priraďované len tak "random", ale systematicky:

Prideľovanie IP adries

Všetky IP adresy "vlastné" organizácia Internet assigned numbers authority (IANA), a tá je prideľuje celkovo piatich svetovým regiónom. Tu sa môžete dozvedieť detaily: http://www.iana.org/numbers. Každý región dostáva určité rozsahy IP adries (takže môžeme rozhodnúť, ktorá IP adresa je "africká" a ktorá je zo Severnej Ameriky), a región z tohto rozsahu prideľuje ďalšie diely jednotlivým krajinám, jednotlivé krajiny zasa jednotlivým Tier 2 ISP. Tier 2 ISP potom prideľujú adresy lokálnym ISP, a až títo Tier 3 ISP prideľujú adresy nám - užívateľom.

Routovanie je týmto veľmi uľahčené - ak "americký" router dostane paket s cieľovou IP adresou z Európy (ČR), stačí to poslať na susedné router, ktorý je "bližšie" Európe. Tak sa paket dostane k "európskym" routerům, ktorým zase stačí vedieť, že je to paket pre SR. Ďalšie router už bude vedieť, že ho má odoslať do Olomouckého kraja. Tam sa dostane k lokálnemu ISP, a ich router paket prepošle na správnu LAN.

Routovacie tabuľky teda nemusí obsahovať konkrétne IP, ale iba rozsahy. Vlastne vôbec neobsahujú (výnimka sa ale asi nájde) konkrétnu IP adresy, ale tzv. Podsiete - o nich sa dočítate v ďalších dieloch.

Default route

Okrem toho má (alebo by aspoň mal) každý router nakonfigurovanú tzv. Default gateway / route (jeden zo susedných routerov je zvolený ako "predvolené") - na neho pošle každý paket, ktorého cieľovú adresu nemá router vo svojej tabuľke. Toto dovoľuje, aby niektoré (skôr len tie menšie, okrajové Tier 3 ISP) routery mali konkrétne záznamy len o svojom blízkom okolí, as čím si nevie rady, to pošlú cez default route. Takto sa napríklad zvýši pravdepodobnosť doručenia paketov na "čerstvo" pridelené IP adresy, o ktorých ešte nemajú "povedomie" všetky routre (hoci to je otázka niekoľkých minút).

To by bolo k všeobecnosti všetko, ďalší diel začneme zase od jednotlivých bitov k IP adrese, maske podsiete, predvolený bráne, ďalej až k samotnému IP paketu a jeho funkciám. Ak máte nejaké otázky alebo pripomienky, tak si ich rád prečítam v komentároch.