računarske mreže i komunikacije

Osnovni elementi računarskih komunikacija

Rač. mreža je grupa međusobno povezanih računara koji dele resurse i informacij. Topologija - prostorni raspored ili način povezivanja delova jedne celine. Komunikacioni kanal - fizički medijum kroz koji se prenose podaci. Kod žičanih mreža, to su kablovi različitih tipova. Kod bežičnih mreža, komunikacioni kanal je vazduh. U mreži razlikujemo nekoliko vrsta elemenata: – uređaji koji koriste mrežu za prenos podataka, to su računari, mrežni štampači, i svi drugi uređaji kojima je funkcija da kroz mređu šalju i primaju nekakve korisne podatke – aktivni mrežni uređaji čiji je zadatak da obezbede funkcionalnost mreže, to su na primer svičevi (switch), ruteri (router), bežični uređaji i slični, – pasivna operma, čiji je zadatak fizičko povezivanje, tu spadaju kablovi, utikači, utičnice, i slična oprema. Uređaji koji šalju i primaju podatke nazivaju se host uređaji i u njih spadaju računari, tableti, mrežni štampači, itd…

Aktivni mrežni uređaji su

HUBovi, oni su centralni uređaji za provezinje računara u neku topologiju. Dele se na aktivne i pasivne. Akticni se zovu  repeater-i i služe za obnavljanje signala kroz koji oni prolaze. Pasivni HUBovi povezuju 2 računara.

Bridge je uređaj kojim se povezuju 2 segmenta mrreže i koji filtrira saobraćaj među njima.

Switch-evi su uređaji koji upravljaju protokom podataka između 2 dela lokalne mreže. Isključivo rade u lokalnim mrežama. Switch deli mrežni prometgde ga daje na određeno odredište.

Ruter je poseban uređaj koji određuje sledeću mrežnu adresu na koju se šalje paket podataka – uprošćeno rečeno, ruter je raskrsnica između dve udaljene mreže.

Pasivna oprema obuhvata sve ostale elemente kao što su kablovi, konektori i utičnice. Najčešći metod umrežavanja je eternet umrežavanje, upotrebom UTP kablova. U današnje vreme standard za umrežvanje je kateogrije 5 UTP kablova brzine 1200 Mbit/s. Optički kablovi koriste laser kao način prenosa podataka, na njne ne utiču el. mag. smetnje. STP kablovi se koriste za povezivanje udaljenih lokacija. Stanrdni konektor za UTP kablove ima oznake RJ-45.

Prenos podataka

Fizička reprezentacija poruke naziva se signal.

Računarska mreža se može posmatrati kao komunikacioni sistem, gde se informacija generisana na predajnoj strani (izvorište poruke) dostavlja željenom odredištu. Osnovni elementi komunikacionog sistema su:

·         Izvor (source) – generiše podatake za prenos.

·         Predajnik (transmitter) – transformiše generisane podatke u oblik pogodan za prenos (npr. modem digitalne podatke iz računara transformiše u analogni signal koji se može preneti preko javne telefonske mreže ).

·         Prenosni sistem (tramission sistem) – može biti jednostavna linija ili kompleksna mreža koja spaja izvor i odredište.

·         Prijemnik (receiver) – prihvata signal iz prenosnog sistema i transformiše ga u oblik pogodan za odredište.

·         Odredište (destination) – prihvata prenete podatke.

Ključni poslovi u komunikacionom sistemu su:

• Povezivanje (interfacing) uređaja na komunikacioni sistem;
• Generisanje signala (signal generation) – propagacija, regeneracija, domet itd.;
• Sinhronizacija (synchronization) predajnika i prijemnika;
• Razmena podataka (exchange management) prema odgovarajućem protokolu;
• Otkrivanje i ispravljanje grešaka (error detection and correction) npr. kod slanja datoteka;
• Kontrola toka (flow control) - usaglašavanje brzine slanja i brzine prijema podataka;
• Adresovanje i usmeravanje (addressing and routing) – čim postoji više od dva učesnika;
• Oporavak (recovery) – mogućnost da se transfer podataka nastavi od mesta prekida;
• Formatiranje podataka (message formatting) - dogovor učesnika o dužini i strukturi podataka koji se prenose;
• Zaštita (security) na prenosnom putu, autentičnost podataka;
• Upravljanje mrežom (network management) – mreža je kompleksan sistem, koji ne radi sam po sebi. Neophodno je mrežu konfigurisati, nadgledati, intervenisati i inteligentno planirati za buduću namenu.

Poruke mogu biti kontinuirane ili diskretne. Kontinuirane poruke su poruke koje u svakom trenutku posmatranja imaju neku vrednost. Ovakve poruke se nazivaju i analogni signali. Diskretne poruke su poruke koje imaju definisana stanja u tačno određenim vremenskim intervalima. Digitalni signali su direktne poruke koje su predstavljenje nekom amplitudom u nekom trenutku. JEdan oblik digitalnih signala je binarni signal, amplitude su ili 1 ili 0. Prema smeru prenosa veze mogu biti: - simpleks A->B (jednosmerno), poludupleks A<->B (u oba smera, ali ne istovremeno), dupleks A<-><->B (u oba smera, dva kanala, istovremeno). Prema broju kanala, prenos može biti: - Serijski prenos ili paralelni. Serijski prenos se koristi kad postoji samo 1 kanal, a između prijemnika i predajnika. U ovom slučaju bitovi se moraju slati sekvencijalno ili jedan za drugim. U serijskom prenosu postoji sinhroni i asinhronu prenos. Asinhroni dodaju dodatne bitove koji označavaju početak i kraj poruke. Paralelni prenos zahtev da postoji broj N Prema načinu na koji se prosleđu modaci mrežni prenos se deli na: 1. mrežni sa komutacijom veza, 2. mrežni sa komutacijom kanala, 3. virtualne veze

Mreže sa komutacijom veze- Kod prenosa podataka sa komutacijom veza (engl. circuit switched) između dva učesnika u komunikaciji uspostavlja se čvrsta direktna veza, a ukupna informacija se prenosi putanjom koja je utvrđena u toku uspostave veze. Prenos podataka sa komutacijom paketa Kod prenosa podataka sa komutacijom paketa (engl. packet switched) između dva učesnika, prvo se informacija koja se razmenjuje deli u pakete čija struktura (dužina paketa, redni broj, adresa odredišta, prioritet i sl.) odgovara nosećim protokolima. Paketi se upućuju do prvog čvora u mreži (rutera), a u svakom ruteru se vrši nezavisno usmeravanje paketa. Izbor putanje u ruterima se vrši na osnovu više kriterijuma koji važe u datom trenutku. Paketi prolaze različite putanje od izvorišta do odredišta. Na odredištu se vrši slaganje paketa u prvobitan redosled da bi se dobila potpuna informacija.

Postoji više vrsta prekida veze: 1. prekid linije – katastrofalna greška koja onemogućuje prenos. 2. Beli Gausov šum – nastaje kod svih električnih signala i kao prevencija povećava se snaga singala. 3. impulsni šum – osnovni uzrok grešaka prilikom prenosa podatak i obično kratkotrajan i velikog intenziteta, uzrokuju ga nagle promene struje, a kao prevenzija vrši se oklopljivanje kablova. 4. preslušabanje – uzrokuju ga bliski kablovi i nedovoljno razmaknuti opsezi frekvencije. Kao prevencija povećava se frenk. opseg signala. 5. eho – uzrokuju ga loše veze gde se signal reflektuje do izvorišta. Kao prevencija proveravaju se konektori i podešavaju uređaji. 6. slabljenje degradacijom signala – gubitak jačine signala dok se prenosi do predajnika do prijemnika, kao prevencija upotrebljavaju se ripiteri i pojačavači. 7. intermodulacioni šum – nastaje tako što signali iz nezavisnih tokova se kompenzuju i stvaraju novi signal koji upada u kanal rezervisan za druge signale.

Jedan od ključnih zadataka u računarskim telekomunikacijama je provera da li su primljeni podaci identični poslatima, odnosno da li je tokom prenosa došlo do njihove izmene. Drugim rečima, potrebno je utvrditi da li primljeni podatak sadrži grešku, odnosno razliku u odnosu na poslati podatak. Otežavajuću okolnost za otkrivanje grešaka predstavlja činjenica da primalac ne poseduje izvornu poruku sa kojom bi uporedio primljenu poruku. 

Za potrebe otkrivanja grešaka pošiljalac izračunava dodatne bitove i šalje ih zajedno sa korisnim podacima. Što se veći broj bitova koristi kao dodatak korisnim podacima, bolje je otkrivanje greške ali je i manja efikasnost prenosa. Primalac iz dobijenih korisnih podataka izračunava dodatak i poredi ga sa dobijenim. Ako je dodatak isti kao što ga je pošaljilac izračunao, nema greške u prenosu, a ako je različit, postoji greška u prenosu. U tehnike za otkrivanje grešaka spadaju provera parnosti, longitudinalna redudantna provera (Longitudinal Redundancy Checking, LRC), i polinomijalna provera (Checksum, Cyclic Redundancy Check , CRC).

Provera parnosti

Provera parnosti predstavlja najstariji i najjednostavniji metod detekcije greške gde se jedan bit dodaje svakom karakteru. Ako u karakteru koji se prenosi postoji paran broj jedinica i bit koji je dodat ima vrednost 0 to se naziva parna parnost (even parity). Ako u karakteru postoji paran broj jedinica i dodaje se 1 to se naziva neparna parnost (odd parity).Prijemnik prima karakter, ponovo računa bit i poredi ga sa dobijenim bitom parnosti. Na ovaj način se može uočiti neparan broj pogrešnih bitova.

Slika 1.4.2.1-1. Primer provere parnosti

Ovaj jednostavni metod detektuje 50% grešaka. Primena provere parnosti nije jednostavna u prisustvu jakog šuma.

Polinomijalne redodantne provere

Kod polinomijalne redundantne provere na kraj poruke se dodaje jedan ili više karaktera određenih matematičkim algoritmom. U osnovne tipove ovakve provere spadaju kontrolna suma (Checksum) i ciklična redundantna provera (Cyclic Redundancy Check, CRC).

Kontrolna suma predstavlja kôd detekcije greške zasnovan na operaciji sabiranja koja se vrši nad karakterima koji trebaju da se provere. Blok podataka nad kojim se računa kontrolna suma može da bude različite dužine, a sama kontrolna suma je uvek iste dužine. Dobar algoritam za izračunavanje kontrolne sume za male promene u bloku podataka daje potpuno različite vrednosti kontrolne sume. Kod najjednostavnijeg algoritma kontrolna suma se izračunava sabiranjem decimalnih vrednosti svakog karaktera u poruci, ukupna vrednost se zatim deli sa 255 a ostatak deljenja (1 bajt) je kontrolna suma. Efikasnost kontrolne sume je 95%. Kod TCP/IP modela kontrolna suma se primenjuje u protokolima TCP i UDP i dužine je 16 bitova.

Ciklična provera redundanse - (Cyclic Redundancy Check, CRC) rezultat je matematičkog izračunavanja. Ona dodaje poruci 8, 16, 24 ili 32 bita. Poruka se tretira kao jedan dug binaran broj P. Pre prenosa, sloj veze podataka deli P fiksnim binarnim brojem G i kao rezultat daje ceo broj Q i ostatak R/G. Izračunava se i na polaznom i na odredišnom računaru. Dakle, ciklična provera redundanse se određuje izračunavanjem sledećeg ostatka:

P / G = Q + R / G

Ostatak R dodaje se poruci kao karakter za proveru greške pri prenosu. Prijemnik deli primljenu poruku sa istim G, što za rezultat daje R. Prijemnik proverava da li se primljeno R slaže sa stvarnim R. Ako se ne slažu, smatra se da je došlo do greške. CRC predstavlja najjaču i najviše upotrebljavanu proveru i sa njom se detektuje 100% grešaka ako je broj grešaka manji ili jednak od veličine R. Navedena tehnika za detekciju greške koristi se na sloju veze podataka.

Ispravljanje grešaka

Jednostavan, efikasan, jeftin i najčešće korišćeni metod za korekciju greške je retransmisija. Kod ovog postupka prijemnik, kada detektuje grešku, traži od predajnika da ponovo pošalje poruku sve dok se poruka ne primi bez greške. Čest naziv je automatski zahtev za ponavljanje (Automatic Repeat Request, ARQ). Postoje dva tipa ARQ a to su: stani i čekaj i kontinualni ARQ.

Kategorizacije računarskih mreža

Podelu računarskih mreža je moguće vršiti po više kriterijuma. U skladu sa medijumom koji se koristi za prenos podataka računarske mreže mogu biti:

1.     kablirane mreže i

2.     bežične mreže.

Po topologije računarske mreže mogu biti:

1.     mreže sa topologijom magistrale,

2.     mreže sa topologijom zvezde,

3.     mreže sa topologijom prstena,

4.     mreže sa mesh topologijom i

5.     mreže sa kombinovanom topologijom.

Topologija magistrale čini jedinstveni kanal putem koga se obavlja saobraćaj i duž na koju su svi uređaju povezani. Kada je računar spreman a predaju podataka, uveri se da nijedan drugi računar ne šalje podatke na magistralu, pa tek onda on šalje svoje podatke.

Topologija prstena u kojoj su računari pobezani 1 za drugim i čine fizički krug naziva se topologija prstena. Računari u ovoj topologiji prijamu poruke od prethodnika i šalju je sledećem računaru u nizu.

Topologija zvezde zahteva postojanje specijalne komponente, koja služi kao centar povezivanja. Svi računari povezani su na tu komponentu, pa čitava struktura nalikuje višekrakoj zvezdi. U topologiji zvezde, svi računari su segmentima kabla povezani sa centralnom komponentom koja se zove hab. Signal se prenosi od računara koji je poslao, kroz hab, do svih računara u mreži. Ova topologija je nastala u ranim danima umrežavanja, kada su računari bili povezani sa centralnim mainframe računarom.

Topologija drveta – od centralnog čvora u mreži grana se hijerarhija čvorova naniže poput krošnje na drvetu.

Po prostoru na kome se prostiru računarske mreže mogu biti:

1.     Personal Area Network (PAN),

2.     Local Area Network (LAN),

3.     Metropolitan Area Network (MAN),

4.     Wide Area Network (WAN) i

5.     Global Network (Internet).

Po arhitekturi (funkcionalnom odnosu članova) računarske mreže mogu biti:

1.     Host-based,

2.     Klijent-server i

3. Peer-to-peer.

Kod peer-to-peer mreža svi računari su pravnopravi tj. svaki računar funkcioniše i kao klijent i kao server pa ne postoji glavni adiministrator koji je odgovoran za celu mrežu.

Client je aktivan korisnik koji šalje zahtev za pristup nekom resursu i čeka dok se taj zahtev ne obradi dok je server pasivan tj. čega zahtev od klijenta i obrađuje ga.

Protokoli

Protokol predstavlja standard, skup pravila, za ostvarivanje i kontrolu veze i za prenos podataka preko te adrese.

Ključni elementi protokola kojim se dogovara spremnost za slanje, spremnost za prijem, format podataka i sl. su:

1.     sintaksa - format podataka i nivoi signala,

2.     semantika – kontrolne informacije u prenosu i kontrola grešaka,

3.     tajming – brzina prenosa.

Koraci protokola moraju da se sprovedu u skladu sa redosledom koji je isti za svaki računar u mreži. U predajnom računaru ovi koraci se izvršavaju od vrha ka dnu. U prijemnom računaru ovi koraci moraju da se sprovedu u obrnutom redosledu.

Na predajnom računaru protokol:

• deli podatke u manje celine, nazvane paketi, koje može da obrađuje,
• paketima dodaje adresne informacije tako da odredišni računar na mreži može da odluči da li oni pripadaju njemu, i
• priprema podatke za prenos kroz mrežnu karticu i dalje kroz mrežni kabl.

Na prijemnom računaru protokoli sprovode isti niz koraka, ali obrnutim redosledom:

• preuzimaju se podaci sa kabla,
• kroz mrežnu karticu unose se paketi podataka u računar,
• iz paketa podataka uklanjaju se sve informacije o prenosu koje je dodao predajni računar,
• kopiraju se podaci iz paketa u prihvatnu memoriju (bafer) koja služi za ponovno sklapanje i
• ponovno sklopljeni podaci prosleđuju se aplikaciji u obliku koji ona može da koristi.

Uspostavljanje veze, prenos podataka i raskid veze određeni su setom protokola od kojih je svaki nadležan za jedan od sledećih poslova:

• Handshaking - uspostavljanje veze;
• Pregovaranje o različitim karakteristikama veze;
• Definisanje početka i kraja poruke;
• Definisanje formata poruke.
• Definisanje pravila za obradu oštećenih ili nepravilno formatiranih poruka (ispravka grešaka);
• Utvrđivanje neočekivanog prekida veze i definisanje daljih koraka u tom slučaju;
• Prekid veze.

Protokoli bez uspostavljanja veze

Pri korišćenju protokola bez uspostavljanja veze inicijalni korak pri prenosu podataka jeste samo slanje podataka. Ovom koraku ne prethodi procedura vezana za uspostavljanje veze kao što je to slučaj kod protokola sa uspostavljanjem veze. Iako je uspostavljanje veze najčešće osobina protokola sa pouzdanim prenosom, postoje protokoli koji omogućavaju pouzdan prenos bez uspostavljanja veze kao i protokoli koji ne garantuju bezbedan prenos iako koriste uspostavljanje veze.

Protokoli sa uspostavljanjem veze

Pri korišćenju protokola sa uspostavljanjem veze dve strane moraju da uspostave vezu između sebe kao preduslov za razmenu podataka. Proces se odvija u nekoliko faza: 1. izvorišni kompjuter daje zahtev na odredišni kompjuter za upostavljanje veze, 2. odredišni kompjuter odgovara na taj zahtev sa ptvrdom ili odbijanjem 3. izvorišni kompjuter ponovo daje potvrdu ako je veza uspostavljena.