Računalniška omrežja – definicija, vrste, naprave in protokoli

Pregled računalniških omrežij: definicije, vrste (LAN, WAN), ključne naprave in protokoli (TCP/IP) — jasen vodnik za začetnike in IT strokovnjake.

Računalniško omrežje je skupina dveh ali več računalnikov, ki so med seboj povezani. Omrežja se običajno uporabljajo za skupno rabo virov, izmenjavo datotek ali komunikacijo z drugimi uporabniki.

Omrežje je množica vozlišč, povezanih s komunikacijskimi povezavami. Vozlišče je lahko računalnik, tiskalnik ali katera koli druga naprava, ki lahko prek omrežja pošilja ali sprejema podatke od drugega vozlišča.

Za pravilno delovanje omrežja so pogosto potrebne tudi druge naprave. Takšne naprave so na primer vozlišča in stikala. Različne vrste omrežij lahko med seboj povežete z usmerjevalnikom. Na splošno lahko omrežja, ki za povezavo uporabljajo kable, delujejo z višjimi hitrostmi kot tista, ki uporabljajo brezžično tehnologijo.

Lokalno omrežje (LAN) povezuje računalnike, ki so blizu drug drugemu. Zgraditi LAN je lažje kot povezati različna omrežja (s prostranim omrežjem). Največje prostrano omrežje je internet.

Računalniki so lahko del več različnih omrežij. Omrežja so lahko tudi deli večjih omrežij. Lokalno omrežje v majhnem podjetju je običajno povezano s korporativnim omrežjem večjega podjetja. Te povezave lahko omogočajo dostop do interneta. Trgovina ga lahko na primer uporablja za prikazovanje blaga na svoji spletni strani prek spletnega strežnika ali za pretvorbo prejetih naročil v navodila za pošiljanje.

Omrežje mora biti povezano z ustrezno strojno opremo. To je lahko žično ali brezžično. Za preprosto omrežje LAN zadostujejo računalniki, mediji in periferne naprave. Omrežja WAN (angl. wide area networks) in nekatera velika omrežja LAN (angl. local area networks) potrebujejo nekaj dodatnih naprav, kot so most, prehod ali usmerjevalnik, da povežejo različna majhna ali velika omrežja.

Omrežje potrebuje komunikacijski protokol. Microsoft Windows, Linux in večina drugih operacijskih sistemov uporabljajo TCP/IP. Računalniki Apple Macintosh so v 20. stoletju uporabljali Appletalk, zdaj pa uporabljajo TCP/IP.

Vrste omrežij po obsegu in namenu

Osnovne vrste omrežij glede na obseg so:

• PAN (Personal Area Network) – osebno omrežje za naprave znotraj nekaj metrov (npr. Bluetooth med telefonom in slušalkami).
• LAN (Local Area Network) – lokalno omrežje v hiši, pisarni ali šoli; hitro in pogosto žično ali brezžično.
• MAN (Metropolitan Area Network) – omrežje, ki povezuje več LAN-ov znotraj mesta ali regije.
• WAN (Wide Area Network) – pokriva velike razdalje, povezuje lokacije v različnih mestih ali državah; primer je internet.

Topologije omrežij

Topologija opisuje, kako so naprave fizično ali logično povezane. Pogoste topologije so:

• Zvezda (star) – vse naprave so povezane na en osrednji element (stikalo ali usmerjevalnik); enostavno upravljanje in odpravljanje napak.
• Vod (bus) – vse naprave delijo en skupni komunikacijski vod; uporabljen pri nekaterih starejših izvedbah.
• Obroč (ring) – naprave so povezane v zaporedni krog, podatki potujejo v eno ali obe smeri.
• Mreža (mesh) – vsaka naprava ima povezavo z več drugimi; visok nivo redundance in odpornosti proti napakam (uporablja se v kritičnih omrežjih in brezžičnih sistemih).

Naprave in komponente

V omrežju najdemo različne strojne naprave, od katerih ima vsaka svojo vlogo:

• Mrežna kartica (NIC) – omogoča računalniku fizično povezavo v omrežje.
• Stikalo (switch) – povezuje več naprav v LAN-u in usmerja promet na osnovi MAC-naslovov.
• Usmerjevalnik (router) – povezuje različna omrežja in usmerja promet med njimi; pogosto zagotavlja tudi NAT in dostop do interneta.
• Most (bridge) – povezuje dve omrežni segmenti na nivoju podatkovne plasti.
• Prehod (gateway) – pretvori podatke med različnimi protokoli ali omrežnimi arhitekturami.
• Modem – pretvori signale med digitalnimi napravami in prenosnimi mediji (npr. telefonska linija ali kabel).
• Dostopna točka (access point) – omogoča brezžični dostop do žičnega omrežja (Wi‑Fi).

Komunikacijski protokoli

Protokoli določajo pravila za prenos podatkov. Najpomembnejši paketni protokol je TCP/IP, ki vključuje več slojev in mnoge druge storitve:

• IP (Internet Protocol) – naslovljenje in usmerjanje paketov (IPv4, IPv6).
• TCP (Transmission Control Protocol) – zagotavlja zanesljiv prenos s preverjanjem napak in ponovnim pošiljanjem.
• UDP (User Datagram Protocol) – nezanesljiv, vendar hiter prenos (uporaben za pretakanje in igre).
• Višji protokoli in storitve: HTTP/HTTPS (splet), FTP (prenos datotek), SMTP/IMAP/POP3 (elektronska pošta), DNS (prevajanje imen v IP), DHCP (samodejna dodelitev IP naslovov).

Naslavljanje in identifikacija

Vsaka omrežna naprava ima vsaj en naslov, po katerem jo drugi sistemi najdejo:

• MAC naslov – fizični (strojni) naslov omrežne kartice, uporabljen na nivoju podatkovnega sloja za komunikacijo znotraj lokalnega segmenta.
• IP naslov – logični naslov za usmerjanje paketov med omrežji; IPv4 (32-bitni) in IPv6 (128-bitni).

Mediji prenosa in hitrosti

Podatki se lahko prenašajo po različnih medijih:

• Bakreni kabli (Ethernet, npr. Cat5e, Cat6) – cenovno ugodni in primerni za LAN.
• Optična vlakna – zelo velike hitrosti in daljši dosegi; uporabna za povezave med stavbami in v jedrnih omrežjih.
• Brezžični prenosi (Wi‑Fi, mobilna omrežja) – fleksibilnost, vendar pogosto z večjim časovnim zamikom in obremenitvami ter odvisnostjo od interference.

Varnost omrežij

Varnost je ključna komponenta omrežnega načrtovanja. Glavne prakse vključujejo:

• Uporabo požarnih zidov (firewall) in sistemov za zaznavanje vdorov (IDS/IPS).
• Šifriranje povezav (npr. HTTPS, VPN) za zaščito prenosa podatkov.
• Upravljanje dostopa in avtentikacijo uporabnikov (gesla, večfaktorska avtentikacija).
• Segmentacijo omrežja (VLAN) in redno posodabljanje programske in strojne opreme.

Upravljanje in diagnostika

Za vzdrževanje omrežja se uporabljajo orodja in standardi:

• Orodja za diagnostiko: ping, traceroute, netstat.
• Protokoli za upravljanje: SNMP za spremljanje naprav in syslog za beleženje dogodkov.
• Sistemi za nadzor in poročanje (monitoring), avtomatizacija konfiguracij in redno varnostno kopiranje nastavitev.

Praktična raba

Omrežja omogočajo številne vsakodnevne in poslovne storitve: skupna raba datotek in tiskalnikov, e‑pošta, spletne storitve, oblačne aplikacije, videokonference, IoT‑naprave (pametni senzorji) in industrijska avtomatizacija. Pravilno načrtovano omrežje zagotavlja razpoložljivost, zmogljivost in varnost, prilagojeno potrebam uporabnikov.

Za uspešno delo z omrežji je pomembno razumevanje osnovnih konceptov (topologije, protokoli, naprave), izbira ustrezne strojne opreme in medijev ter stalno vzdrževanje in skrb za varnost. S temi elementi lahko omrežje zanesljivo podpira delo v domu, podjetju ali na veliki geografski skali.

Modeli omrežja

Omrežno komunikacijsko tehnologijo bi bilo težko izvajati kot en velik model. Zato smo različne komponente omrežja razdelili na manjše module ali plasti. Standardni model omrežja je model OSI (Open Systems Interconnection), ki ga je določila Mednarodna organizacija za standardizacijo (ISO). Obstajajo tudi drugi modeli omrežij, čeprav so vsi razdeljeni na podobne plasti. Vsaka plast uporablja storitve, ki jih zagotavlja spodnja plast, hkrati pa zagotavlja storitve za plast nad njo. Vsaka plast lahko komunicira le z isto plastjo v ciljni napravi.

Primer komunikacije v omrežnem modelu

Model OSI

OSI (Open Systems Interconnection) je sedemplastni omrežni model, ki ga je določila norma ISO (Mednarodna organizacija za standardizacijo) in se pogosto uporablja po vsem svetu. Koncept sedemplastnega modela je nastal z delom Charlesa Bachmana iz podjetja Honeywell information Services. Različni vidiki zasnove OSI so se razvili na podlagi izkušenj z omrežji ARPANET, NPLNET, EIN in CYCLADES ter dela v skupini IFIP WG6.1.

Podatkovna enota	Sloj	Funkcija
Podatki	Aplikacija	Mrežni proces v aplikacijo
	Predstavitev	Šifriranje, dešifriranje in pretvorba podatkov
	Seja	Upravljanje sej med aplikacijami
Segmenti	Prevoz	Povezava od konca do konca in zanesljivost
Paketi (datagrami)	Omrežje	Določanje poti in logično naslavljanje
Okvir	Podatkovna povezava	Fizično naslavljanje
Bit	Fizični	Signalni in binarni prenos

Sloj 1

Fizični sloj določa električne in fizične specifikacije za naprave. Določa tudi moduliran in osnovnopasovni prenos.

Osnovno pasovno omrežje

Baseband so digitalni podatki v surovi obliki (1001 1101 1010 0011). To omogoča zelo hiter in zanesljiv prenos na kratkih razdaljah; vendar se biti zaradi medijev med seboj motijo, zato je domet baznega prenosa zelo omejen. Z naraščajočo hitrostjo se to še poslabša. Tehnologija baseband se pogosto uporablja v omrežjih LAN.

• Kabel UTP - največ 100 m pri hitrosti 100 Mbit/s brez repetitorja
• Optično vlakno - največ 1 km pri hitrosti 100 Mbit/s brez repetitorja

Tipična tehnologija: Ethernet

Moduliran prenos

V telekomunikacijah je modulacija postopek prenosa sporočilnega signala, na primer digitalnega bitnega toka ali analognega zvočnega signala, znotraj drugega signala, ki ga je mogoče fizično prenesti. Naprava, ki zagotavlja modulacijo osnovnopasovnega signala, se imenuje modulator, naprava, ki zagotavlja demodulacijo moduliranega signala nazaj v osnovnopasovni signal, pa se imenuje demodulator. Danes sta modulator in demodulator integrirana v eno napravo, imenovano modem (modulator-demodulator). Pogosto se uporablja v omrežjih WAN, WLAN in WWAN.
Tipična tehnologija: WLAN, ADSL
, kabelska televizija (CATV).

Sloj 2

Sloj podatkovne povezave zagotavlja funkcionalna in postopkovna sredstva za prenos podatkov med omrežnimi enotami ter za odkrivanje in morebitno popravljanje napak, ki se lahko pojavijo na fizičnem sloju.

Sloj 3

Omrežna plast zagotavlja funkcionalna in postopkovna sredstva za prenos zaporedij podatkov spremenljive dolžine z izvornega gostitelja v enem omrežju na ciljni gostitelj v drugem omrežju z uporabo naslova IP.

Naslov IP

Naslov internetnega protokola (naslov IP) je številčna oznaka, dodeljena vsaki napravi (npr. računalniku, tiskalniku), ki sodeluje v računalniškem omrežju, ki za komunikacijo uporablja internetni protokol. Trenutno sta v uporabi dve različici protokolov - IPv4 in IPv6.

• IPv4 uporablja 32-bitno naslavljanje, ki omejuje naslovni prostor na 4294967296 (²³²⁾ možnih edinstvenih naslovov.

Primer: IP-192.168.0.1 maska-255.255.255.0 pomeni, da je omrežni naslov 192.168.0.0, naslov naprave pa 192.168.0.1

• IPv6 uporablja 128-bitno naslavljanje, ki omejuje naslovni prostor na ²¹²⁸ možnih naslovov. Za bližnjo prihodnost velja, da bo to zadostovalo. Popolna podpora IPv6 je še vedno v fazi izvajanja.

Sloj 4

Transportna plast zagotavlja pregleden prenos podatkov med končnimi uporabniki in zagotavlja zanesljive storitve prenosa podatkov zgornjim plastem. Protokol TCP (Transmission Control Protocol) in protokol UDP (User Datagram Protocol) iz nabora internetnih protokolov se običajno uvrščata med protokole četrte plasti v OSI.

• Protokol TCP (protokol za nadzor prenosa) zagotavlja zanesljivo in urejeno dostavo toka bajtov iz programa v enem računalniku drugemu programu v drugem računalniku. TCP se uporablja za aplikacije, ki zahtevajo zanesljiv prenos (e-pošta, WWW, prenos datotek (FTP), ...).
• Protokol UDP (user datagram protocol) uporablja enostaven model prenosa brez implicitnih dialogov handshaking za zagotavljanje zanesljivosti, vrstnega reda ali celovitosti podatkov. UDP se uporablja v aplikacijah, kjer zahtevamo manjšo zakasnitev kot zanesljivost (pretočni videoposnetki, VOIP, spletne igre ...).

Plasti 5-7

V poenostavljenih omrežnih modelih je običajno združena v eno plast, njen glavni namen pa je interakcija z aplikacijami, šifriranje in vzpostavljanje namenskih povezav, če je to potrebno.

Digitalna modulacija: 16-QAM s primerom konstelacijskih točk.


Analogna modulacija: AM - amplitudaFM - frekvenca

Omrežni izrazi

Zakasnitev

Zakasnitev, nepravilno imenovana ping, je vrednost, ki meri, koliko časa potrebujejo paketi za pot do cilja. Meri se v milisekundah (ms). Orodje, ki meri zakasnitev, se imenuje ping in običajno uporablja posebne pakete ICMP, ki so manjši od standardnih podatkovnih paketov, zato s svojo prisotnostjo ne obremenjujejo omrežja.

• Takojšnja zakasnitev se meri vsakih X sekund in se takoj prikaže. Njena vrednost se nenehno spreminja zaradi naravnih lastnosti omrežne tehnologije paketnega preklapljanja. Visoki vrhovi zakasnitev imajo negativne učinke na večino omrežnih aplikacij, ki se lahko povprečni zakasnitvi prilagodijo tako, da dodelijo ustrezno velikost pomnilnika kot medpomnilnik. Visoki vrhovi zakasnitve povzročijo izpraznitev tega predpomnilnika in začasno zamrznitev aplikacij. To zamrznitev običajno imenujemo zaostanek.
• Povprečna zakasnitev je vsota takojšnjih zakasnitev, izmerjenih Y-krat na X sekund, deljena z Y. Povprečna zakasnitev se uporablja za oceno velikosti predpomnilnika, predvsem zato, ker se ne spreminja tako pogosto. Buffer omogoča, da nekatere aplikacije, kot so pretočni videoposnetki, nemoteno delujejo tudi pri visoki povprečni zakasnitvi, vendar nas ne more zaščititi pred visokimi konicami zakasnitve.

Zmogljivost (pasovna širina)

Zmogljivost je merilo prenosne zmogljivosti omrežja in se meri v bitih na sekundo (bps ali b/s), danes običajno Mbps ali Mb/s. Pokaže nam, koliko podatkovnih enot se prenese vsako sekundo. Trenutno je povprečna pasovna širina veliko večja, kot je potrebno, in v večini primerov ni omejujoč dejavnik.

• Zgornja povezava pomeni, koliko pasovne širine se porabi za prenos podatkov od uporabnika do strežnika (pri končnih uporabnikih je običajno manjša).
• Za prenos podatkov od strežnika do uporabnika se porabi največja pasovna širina (običajno večja za končne uporabnike).

Oddajanje

Oddajanje je poseben prenos, ki ni namenjen posamezni napravi, temveč je naslovljen na vse naprave v določenem omrežju. Večinoma se uporablja za samodejno izdajanje naslovov IP napravam prek strežnika DHCP in za ustvarjanje tabele ARP, ki kartira omrežje in pospešuje promet.

frekvenčni načrt ADSL. Gornji tok + spodnji tok = pasovna širina omrežja

Vprašanja in odgovori

V: Kaj je računalniško omrežje?

V: Kaj so vozlišča v omrežju?

V: Katere dodatne naprave so lahko potrebne za pravilno delovanje omrežja?

V: Kako lahko med seboj povežemo različne vrste omrežij?

V: Ali je lokalna omrežja (LAN) lažje zgraditi kot širokopasovna omrežja (WAN)?

V: Ali so lahko računalniki hkrati del več različnih omrežij?

V: Katero vrsto komunikacijskega protokola uporablja večina operacijskih sistemov?

Išči po črki