Urządzenia sieciowe i media transmisyjne – przewodnik po warstwie fizycznej

4

Zacznijmy od podstaw, czyli od warstwy fizycznej sieci. To właśnie tutaj dzieje się „najbardziej namacalna” część komunikacji. Składają się na nią urządzenia sieciowe oraz media transmisyjne, które przenoszą dane pomiędzy nimi.

W sieciach komputerowych spotkasz wiele typów urządzeń. Jedne służą do komunikacji wewnątrz jednej sieci, inne umożliwiają łączenie różnych sieci i kierowanie ruchem w odpowiednią stronę. Część z nich potrafi także wybierać najlepsze ścieżki dla danych, a nawet informować o problemach i awariach w trakcie transmisji.

Transmisja danych między urządzeniami odbywa się dzięki mediom sieciowym. Mogą to być media kablowe (np. skrętka, światłowód, kabel koncentryczny) lub rozwiązania bezprzewodowe, czyli np. fale radiowe (Wi-Fi).

W tym artykule omówimy:

• najważniejsze urządzenia sieciowe i ich rolę,
• rodzaje mediów transmisyjnych oraz ich charakterystykę.

Urządzenia sieciowe – najważniejsze elementy sieci

Poniżej znajdziesz najpopularniejsze urządzenia sieciowe, które pojawiają się w większości sieci komputerowych:

• Koncentrator (hub)
• Przełącznik (switch)
• Router
• Punkt dostępowy (Access Point)
• Modem

Koncentrator (hub) – urządzenie, które odeszło do historii

Koncentrator (czyli hub) to dziś rozwiązanie raczej przestarzałe, wyparte przez przełączniki. Jego zadaniem było łączenie urządzeń w sieci, ale działał bardzo „naiwnie”.

Gdy ramka danych trafia do huba, urządzenie rozsyła ją do wszystkich portów, niezależnie od tego, gdzie faktycznie powinna trafić. Efekt?

• marnowanie przepustowości,
• ryzyko dla bezpieczeństwa (bo każde urządzenie „widzi” dane),
• praca w trybie półdupleksu (brak jednoczesnego wysyłania i odbierania),
• większa liczba kolizji w sieci.

Dlatego właśnie huby zostały zastąpione przez przełączniki.

Przełącznik (switch) – porządek i oszczędność przepustowości

Switch jest dużo sprytniejszy od huba, bo nie rozsyła danych „na ślepo”. Gdy przełącznik odbiera dane na jednym porcie, wysyła je tylko tam, gdzie jest odbiorca.

Jak to możliwe? Przełączniki przechowują tablicę adresów MAC, czyli listę urządzeń przypisanych do konkretnych portów. Dzięki temu:

• nie marnują przepustowości,
• ograniczają niepotrzebny ruch,
• mogą pracować w trybie pełnego dupleksu, czyli jednocześnie wysyłać i odbierać dane,
• zmniejszają liczbę kolizji.

To ogromny krok naprzód względem koncentratorów.

Router – łączenie sieci i routing

Router jest kluczowym urządzeniem, gdy chcesz połączyć różne sieci komputerowe (np. sieć domową z Internetem albo dwie sieci firmowe).

Gdy router odbiera pakiet, sprawdza jego docelowy adres IP i porównuje go z wpisami w swojej tablicy routingu. Następnie wybiera trasę i przekazuje pakiet dalej przez właściwy interfejs. Ten proces to routing, czyli wybór najlepszej drogi przesyłu danych między sieciami.

Ważne rozróżnienie:

• switch zarządza ruchem w jednej sieci (LAN),
• router zarządza ruchem pomiędzy sieciami (WAN/LAN).

Wyobraź sobie, że masz w domu magiczne pudełko do sortowania poczty. Za każdym razem, gdy ktoś z Twojej rodziny pisze list do kogoś innego, wrzuca go do tego pudełka. Następnie pudełko sprawdza, gdzie list powinien trafić i wysyła go do właściwej osoby.

Router jest trochę jak to magiczne pudełko, ale zamiast listów, pomaga wysyłać wiadomości między komputerami, telefonami i innymi urządzeniami. Gdy chcesz obejrzeć film lub zagrać w grę, router pomaga przesłać informacje z Internetu do Twojego urządzenia, upewniając się, że wszystko trafi we właściwe miejsce daleko od domu.

Access Point (AP) – Wi-Fi tam, gdzie router nie daje rady

Access Point (czyli punkt dostępowy) umożliwia urządzeniom łączenie się z siecią bezprzewodowo za pomocą fal radiowych.

Najczęściej stosuje się go wtedy, gdy:

• zasięg Wi-Fi z routera jest za słaby,
• chcesz rozszerzyć sieć na większy obszar (biuro, magazyn, piętro budynku).

Typowy scenariusz: montujesz access point w miejscu o słabym zasięgu i łączysz go kablem Ethernet z routerem lub switchem w serwerowni. W firmach często działa kilka AP, dzięki czemu pracownicy mogą stabilnie korzystać z sieci w różnych pomieszczeniach.

Modem – most między dostawcą Internetu a routerem

Modem przetwarza dane, upraszczając: „tłumaczy” sygnał od dostawcy Internetu na format, który może obsłużyć Twoja sieć domowa.

Najczęściej działa to tak:

• dostawca dostarcza sygnał,
• modem go przetwarza,
• router rozsyła Internet do urządzeń (kablowo lub przez Wi-Fi).

Dzięki temu komputer, telefon, telewizor czy konsola mogą korzystać z Internetu.

Podsumowanie urządzeń sieciowych

Żeby sieć działała w praktyce, zwykle potrzebujesz kilku elementów:

• urządzenia wpięte do switcha mogą komunikować się w obrębie jednej sieci,
• jeśli chcesz połączyć różne sieci – potrzebujesz routera,
• aby mieć dostęp do Internetu – router zwykle współpracuje z modemem,
• a jeśli zasięg Wi-Fi jest za mały – dokładasz access point.

Media sieciowe – jak „podróżują” dane?

Dane w warstwie fizycznej poruszają się jako bity, więc potrzebują nośnika: kabla albo transmisji bezprzewodowej. Najczęściej spotkasz miedź, światłowód oraz fale radiowe.

Przewody miedziane – tanie i popularne, ale z ograniczeniami

Najczęściej spotkasz trzy typy kabli miedzianych:

• kabel koncentryczny – Kabel koncentryczny wykorzystuje pojedynczy przewodnik w środku kabla do transmisji sygnałów. Podobnie jak koncentrator, kabel ten już jest praktycznie nie używany, ze względu na to, że powstało wiele alternatyw, które lepiej spełniają zadanie transportowania bitów. Kable koncentryczne są głównie wykorzystywane w sieci telewizji kablowej.
• skrętka UTP (nieekranowana) – Jest najczęstszym rodzajem okablowania sieciowego. Składa się z czterech skręconych par drutu, każda o innej liczbie skrętów na stopę, wszystkie umieszczone w jednej osłonie. Każdy przewód oznaczony jest odpowiednim kolorem. Jak się później dowiesz ich ułożenie ma duże znaczenie. Różne skręcenie drutów pozwala zredukować przesłuch i zakłócenia. Skrętki występują w kategoriach (np. Cat5e, Cat6, Cat6a) i najczęściej kończy się je złączem RJ-45.
• skrętka STP (ekranowana) – Oprócz technik ekranowania znanych z skrętki UTP, w skrętce STP każda para przewodów jest dodatkowo owinięta metalową folią. Cztery pary przewodów są następnie owinięte kolejną osłoną. Chociaż STP zapobiega zakłóceniom lepiej niż UTP, jest droższy i trudniejszy w instalacji, ze względu na sztywność przewodu. Kable STP idealnie nadają się do instalacji w pobliżu urządzeń, które mogą powodować zakłócenia elektromagnetyczne, takich jak lotniska i centra medyczne.

Zalety miedzi to niska cena i łatwy montaż, ale są też ograniczenia:

• spadek jakości sygnału na większych odległościach (zwykle ok. 100 metrów),
• tłumienie sygnału (im dalej, tym gorzej),
• podatność na zakłócenia elektromagnetyczne (przesłuch).

Kable światłowodowe – szybkie i odporne na zakłócenia

Światłowód przesyła dane za pomocą fal świetlnych, dlatego:

• nie ma problemu z przesłuchem,
• jest odporny na zakłócenia elektromagnetyczne,
• oferuje bardzo wysoką przepustowość i duży zasięg.

Wyróżniamy:

• światłowód wielomodowy (krótsze dystanse, wiele wiązek światła),
• światłowód jednomodowy (bardzo duże dystanse, jedna wiązka, lepsze parametry na odległość).

Światłowody często wykorzystuje się do transmisji między budynkami i miastami, a także w miejscach podatnych na zakłócenia.

Fale radiowe – podstawa Wi-Fi

Są to fale elektromagnetyczne o częstotliwości do kilkudziesięciu GHz. Obecnie najpopularniejszymi częstotliwościami używanymi do transmisji bezprzewodowej są 2,4 GHz i 5GHz. Fala radiowa to rodzaj sygnału elektromagnetycznego przeznaczonego do przenoszenia informacji w powietrzu na stosunkowo duże odległości. Ponadto fale radiowe są podstawowym sposobem przesyłania danych w sieci bezprzewodowej. Po drodze fale napotykają różne przeszkody, które mogą wpływać na zasięg i wydajność, w zależności od charakterystyki fali radiowej, dlatego są one mniej wydajne od okablowania. Fale radiowe wykorzystuje między innymi technologia WIFI.

Zakończenia kabli UTP/STP – standardy T568A i T568B

Kable UTP i STP zazwyczaj kończy się złączem RJ-45. Ponieważ przewody mają różne kolory, bardzo ważny jest poprawny układ żył w wtyczce. Nie jest to kwestia estetyki, tylko zgodności ze standardem i poprawnego działania sieci – układ żył musi odpowiadać określonemu schematowi, żeby urządzenia po obu stronach „widziały” te same pary na tych samych pinach.

Są dwa standardy:

• T568A
• T568B

Od tego, jak ułożysz przewody na obu końcach, zależy rodzaj kabla:

Kabel prosty

Kabel prosty służy do łączenia różnych urządzeń (np. komputer–switch, komputer–router).
Układ jest taki sam po obu stronach: A–A albo B–B.

Kabel krosowany

Kabel krosowany (z przeplotem) służy do łączenia urządzeń tego samego typu (np. komputer–komputer).
Układ jest różny po stronach: A–B.

W praktyce wiele nowoczesnych urządzeń ma funkcję auto-MDI/MDIX, która automatycznie dopasowuje piny, więc kabel krosowany zwykle nie jest już potrzebny.

Podsumowanie: co składa się na warstwę fizyczną?

Warstwa fizyczna to fundament sieci: dane płyną tu jako bity, więc potrzebują nośników – kabli lub fal radiowych. Możesz myśleć o nich jak o torach, po których jedzie pociąg (czyli dane). Dalej dane trafiają do kolejnych „stacji”, czyli następnych warstw modelu sieciowego: warstwy łącza danych i warstwy sieci. Omówię to w kolejnych artykułach.