VÕRGUD

Võrgu komponendid ja arhitektuurid

Sidevõrkudes kasutatakse füüsiliste ja loogiliste struktuuride loomiseks erinevaid sideüksusi. On kolme gruppi sideüksusi:

Passiivsed üksused

Passiivsed üksused on sidevõrgu ühenduspunktid, mis ei muuda sisendisse saabuva signaali parameetreid. See üksuste grupp sisaldab:

• ühenduspistikud (Jack couplers) (Joonis 5.15) on passiivsed üksused, mida kasutatakse võrgukaabli pikendamiseks.
• Seinapistik (wall plate) (Joonis 5.15) on ühenduspaneel ühe tööjaama jaoks, millel on tavaliselt üks või kaks porti. Portidesse on võimalik asetada pesasid RJ-45 või RJ-11 tüüpi otsadele.
• Juhtmepaneel (Patch panel) (Joonis 5.16) on ühendus- ja jaotuspunkt kaablite korraldamiseks.
• Passiivne kontsentraator/jaotur (passive concentrator/hub) (Joonis 5.16) on keskne ühenduskolmik, mille abil luuakse ühendus hulga tööjaamade vahel. See ei sisalda elektroonilisi komponente ega vaja seega elektritoidet. Suvalisse porti saabuv sisendsignaal edastatakse kõigisse teistesse portidesse.

Joonis 5.16 Passiivne jaotur

Aktiivsed seadmed

Aktiivsed seadmed võimendavad sisendsignaali. Lisaks on need võimelised signaali muutma ühest ülekandemeediumi tüübist teise. Siia kuuluvad järgmised seadmed:

• Ülekandemeediumi konverterid (transmission medium converters). Need on tuntud kui adapterid või ülekandemeediumi translaatorid/konverterid, mis konverteerivad võrguliiklust kahe erinevat tüüpi ülekandemeediumiga sidevõrgu segmendi vahel. Näiteks valguskonverter loob ühenduse UTP-kaabelvõrgu ja valguskaabelvõrgu vahel.
• Repiiter. See seade funktsioneerib füüsilisel tasandil, suurendab sidevõrgu kogupikkust. See taastab signaalitugevust ja parandab impulsi tugevust suurematel vahemaadel. Repiiterid ei filtreeri neid läbivaid signaale; nad ainult regenereerivad signaale, sealhulgas saadetud sõnumeid, müra ja häireid. Nende põhirakenduseks on sama võrgu kahe võrgusegmendi ühendamine ja nendevaheliste signaalide võimendamine normaalstasemele. Repiitereid on võimalik kasutada mitmete ülekandemeediumitega kuni nende tüübid ühtivad, siiski ei saa neid kasutada erinevat tüüpi struktuure või ligipääsumeetodeid kasutavate segmentide ühendamiseks.
• Hub (jaotur). See on mitme sisendiga repiiter, millega luuakse täht-ühendus. Seda iseloomustavad tehnilised spetsifikatsioonid ja omadused on järgmised:
  • Muudab võrgu füüsilist topoloogiat, kuid mitte selle loogilist struktuuri
  • ühendab individuaalsed, võrgukaardiga varustatud tööjaamad ühtseks võrguks
  • Hubid võimaldavad lisada olemasolevasse võrku uusi füüsilisi tööjaamu
  • Kõik pordid on võrdse prioriteediga;
  • Protsessi, mille käigus hub mõned pordid välja lülitab, kui tuvastatakse talitlushäire, nimetatakse segmentatsiooniks;
  • See leiab rakendust võrkudes, mis kasutavad UTP kaableid;
  • Vastu võetud andmepakette ei puhverdata, mistõttu on andmevahetuskiirus väike;
  • See ei sünkroniseeri teistel kiirustel töötavaid porte.
  

Seadmed võrgu, segmentide ja alamvõrkude struktureerimiseks

Seadmeid nagu sillad, switchid, ruuterid ja lüüsid kasutatakse sidevõrkude loogiliseks struktureerimiseks.

• 
  Sild (bridge). See jagab võrgu loogilisteks segmentideks ja sõnumid edastatakse ühest segmendist teise üle silla pordi, kui vastuvõtja unikaalne võrguaadress (MAC [1]) kuulub vastavasse segmenti. See seade sisaldab mõlema segmendi üksuste aadressitabelit ja side käib järgnevate sammude jadana:
  • Andmepaketi vastuvõtmisel algatatakse lähteaadressi ja sihtaadressi kontroll. Tabelis on esitatud igas segmendis oleva üksuse individuaalne aadress.
  • Kui sihtaadressi ei ole kirjutatud tabelisse, tuleb pakett edastada kõikidesse segmentidesse. Sihtaadressi puudumisel tabelist lisatakse see võimalusel sinna automaatselt.
  • Sild edastab paketi vastavale segmendile, kui sihtaadress on kirjutatud tabelisse.
  • Kui lähteaadress ja sihtaadress on samas segmendis, ei edasta sild andmepaketti teise segmenti.

  Sildade peamine eesmärk on filtreerida segmentidevahelistliiklust, et vähendada ummikuid suuremate kohtvõrkude puhul. Sillad võivad tegutseda kui eraldiseisvad seadmed või olla osa arvutist. Sillad tegutsevad OSI[2]võrgumudeli kanalikihis – andmepakettide tasandil. Need leiavad rakendust võrkudes, mis on ehitatud kontsentraatorite/hubidega, et limiteerida andmepakettide valet edastamist või ühendada kaht eemalasuvat lokaalvõrku üheks. Sarnaselt, eraldavad need ühe konkreetse segmendi liikluse ülejäänud osa liiklusest ja tõstavad kogu võrgu mahtu ning kiirust. Kaks lokaalset võrku, mis on silla abil ühendatud, on füüsiliselt küll erinevad, kuid loogiliselt siiski üks võrk.

• 
  Switch (kommutaator). See on uuema põlvkonna sild, mis kindlustab informatsiooni paralleelse töötlemise. Switchi kasutatakse kõige laialdasemalt tööjaamade ühendamiseks täht-topoloogia võrkudes. See suurendab võrgu andmevahetuskiirust. Välimuselt sarnaneb see hubiga kuid siiski on kommutaator sellest oluliselt intelligentsem seade. Hub edastab vastuvõetud signaali kõigisse portidesse, switch seevastu filtreerib informatsiooni ning edastab selle ainult sihtseadmetele.
  Switch on mitme pordiga sild ja tegutseb järgneva sammujadana:
  • Paketi saabumisel kindlasse switchi porti kontrollib see, kas pakett on korralikult vastu võetud, seejärel viitab oma tabelile, et kindlaks teha, kas selles on vastuvõtja MAC aadressi kirje.
  • Kui MAC aadress puudub tabelist, edastab kommutaator andmepaketi kõigisse oma portidesse ja saab vastuse sihtseadmelt. Vastavustetabelisse tehakse kirje, mis näitab, milline väljundport sobitati selle konkreetse MAC aadressiga. Kõik järgnevad sama aadressi kandvad andmepaketid edastatakse otse vastavasse porti.
  • Kommutaator edastab paketi otse vastavasse porti, kui on olemas MAC aadressi kirje.

  On olemas kolme tüüpi vastuvõtja aadresse (andmeplokkide edastusviisi): leviedastus (broadcast), multiedastus (multicast), üksikedastus (unicast). Leviedastusaadressi puhul saadetakse pakett kõigisse portidesse, samal ajal kui multiedastusaadressi puhul saadetakse pakett eelnevalt kindlaks määratud portidesse. Üksikedastus aadressi puhul saadetakse pakett ainult ühte porti, mis omakorda tõstab võrgu turvalisust, mahtu ja kiirust.

  Switchi eritüüpe eristatakse sõltuvalt sellest, millist OSI mudeli võrgukihti need kasutavad tegutsemiseks. Tavapärased switchid töötavad OSI mudeli teise kihi baasil. Kõrgema klassi kommutaatorid töötavad OSI mudeli kolmanda ja neljanda kihi baasil. Need switchid toimivad ruuterile sarnaselt. Tavaliselt on nende ühendus limiteeritud ühe MAC aadressiga ja ühenduse ülekande kiirus on ka limiteeritud.

  Teised switchi spetsiifilised tunnused on järgmised:
  • Iga pordi jaoks on spetsiaalne protsessor, mis töötleb sissetulevaid andmepakette (kaadreid) ülejäänud portide protsessoritest eraldi
  • Võimaldab igal tööjaamal edastada andmeid üle ülekandemeediumi ilma teiste tööjaamadega konkureerimata
  • Kontrollibsellesse ühendatud seadmete MAC aadresse
  • Tõlgib andmepakette ühest standardist teise (näiteks Ethernetist FDDI-sse)
  • Lingib mitmed eraldiseisvad seadmed ja võrgusegmendid, millest igaühel võib olla veel sellesse ühendatud terminale
  • Puhverdab andmed (salvesta-ja-edasta) enne vastuvõtja ühendusparameetrite tuvastamist
  • Kommutaatorid suhtlevad omavahel täisdupleks-režiimis, mis võimaldab andmeid edastada ja vastu võtta samaaegselt.
  
  
• 
  Marsruuter või ka ruuter (router) on eraldiseisev seade, mida kasutatakse infopakettide jaotamiseks erinevate võrkude või võrgusegmentide vahel. Ruuterina saab kasutada ka tavalist arvutit. Erinevalt hubidest, sildadest ja madalama taseme switchidest töötab ruuter OSI võrgukihis IP aadressidega, mitte MAC aadressidega. Sillaga võrreldes isoleerib ruuter liiklust efektiivsemalt, kasutades individuaalsete sõlmede aadresse. Kui võrgus lingitakse kindel seade ruuteri abil, jääb selle MAC aadress varjatuks. Ruuterid saavad valida parima otsetee kindlale aadressile võimalike olemasolevate marsruutide hulgast. ülekande marsruudi määramiseks ja andmepakettide edastamiseks kasutab ruuter enda marsruutimistabelit, milles on teiste ruuterite IP aadressid salvestatud. Ruuter genereerib selle tabeli ise, kogudes vastavat infot, muutuste ilmnemise korral uuendab tabelit teiste ruuterite abil. Ruuteri poolt tehtavat tööd saab illustreerida järgneva näitega:

  Võrk A koosneb seadmetest А₁  ja A₂. Võrk B koosneb seadmetest B₁ ja B₂. Mõlemad võrgud on ühendatud ruuterite abil. Kui andmed saadetakse seadmelt A₁ seadmesse А₂, ei edasta ruuter pakette võrku B. Sel viisil on võrgu B liikluse ülekoormamine limiteeritud. Juhul, kui saadetakse andmed seadmest А₁ seadmesse B₁, edastab ruuter andmed võrku B, kus andmed tuleb vastu võtta seadme B₁ poolt.

  Ruuteri kasutamine ühendusseadmena vähendab võrguliiklust individuaalsete võrkude vahel ja parandab kohtvõrgu turvalisust.

  Joonis 5.18 Ruuteri poolt tehtav töö [64]
  
• Lüüsid (gateway)
  Lüüs ühendab kahte kohtvõrku nagu ka globaalseid võrke, mis ei ühildu ligipääsuprotseduuride ja protokollide poolest (näiteks DeviceNet ja CANopen). Lisaks sellele eristab ja tuvastab erinevate võrkude liiklust kummalgi pool lüüsi. Kõige sagedamini kasutatakse lüüse kohtvõrgu linkimiseks globaalsesse võrku või kahe eemalasetseva kohtvõrgu linkimiseks üle globaalse võrgu.

Võrgumudelid

Mitmed töötlemise, juhtimise, kodeerimise ja muud võrguside andmeüksuste protsessid eeldavad kommunikatsiooniprotsessi läbimise erinevate etappide (kihtide) ja faaside kirjeldamise (modelleerimise) formaliseerimist.

OSI võrgumudel

OSI võrgumudel kirjeldab baasarhitektuuri, mis jaotab võrguside anmdepakettide vahetamiseks seitsmes iseseisvas kihis. See on välja töötatud Rahvusvahelise Standardiorganisatsiooni (International Standards Organization, ISO) poolt. OSI võimaldab süsteemidel omavahel suhelda. Seda standardit kasutavad võrguseadmete tootjad seadmete, operatiivsüsteemide ja protokollide loomisel, sellel on järgmised spetsiifilised tunnused:

• Iga kiht suhtleb külgnevate kihtidega ainult standardiseeritud protokollide abil
• Igale kihile on omistatud spetsiifilised funktsioonid; kiht pakub liidest ja teenuseid ülemisele kihile ja sarnaselt kasutab ise alumise kihi teenuseid.
• Kihte eraldatakse liideste järgi
• Enne seda, kui andmed saadetakse ühest kihist teise, jagatakse see andmepakettideks - need on infoüksused, mida edastatakse ühtsena ühest seadmest teise;
• Võrgutarkvara edastab andmepaketid jadamisi ühest kihist teise, teostades igale paketikihile lisavormindamist või adresseerimist.
• Kasutajapoolel käib andmepakett läbi kihtide tagurpidi järjestuses; iga kiht eemaldab ülekande ajal selle kihi poolt lisatud lisainfo. Kui andmepakett jõuab rakenduskihti, eraldatakse täielikult aadressinfo.

• (7) Rakenduskiht
  See on mudeli kõige ülemine kiht, mis töötab vahendajana tarkvararakenduste ja võrguteenuste vahel. Sellel töötavad protokollid nagu HTTP, FTP, Telnet, SMTP, POP3, IMAP4, SNMP. Kihi põhiülesandeks on juhtida üldist võrgu ligipääsu, andmevoogusid ja vigade parandamist.

  Selle kihi spetsiifilised tunnused on järgmised:
  • Kasutajatel on otsene ligipääs;
  • Lülitab sisse programmi seadmed ja töödeldavad andmed, mis tõenäoliselt vahetavad infot teiste tööjaamadega;
  • Igale sõnumile lisatakse päis, luues sellega informatsiooni struktuuri, mis identifitseerib edastava ja vastuvõtva tööjaama.

• (6) Esitluskiht
  See määrab kindlaks andmevahetuse formaadi. Siin esitatakse andmed universaalsetes andmepakettides. Vastuvõtja poolel konverteeritakse andmed universaalsetest andmepakettidest vastuvõtva jaama esitluskihi poolt kasutatavasse formaati.

  Selle kihi tunnusteks on:
  • Esitluskihi sõnumid muudetakse edastamiseks ja vastuvõtjale arusaamiseks mugavasse formaati.
  • Võimaldab andmete pakkimist, andmete krüpteerimist autoriseerimata ligipääsu ära hoidmiseks ja protokollide transleerimist, et võimaldada erinevate seadmete ja operatiivsüsteemide vahelist sidet;
  • Igale sõnumile lisatakse päis, mis sisaldab infot pakkimise ja krüpteerimise meetodite ning andmete kirjutamise formaadi kohta.

• (5) Seansikiht
  See kiht loob seansikanali kahe võrguseadme vahel. Programmide vahel on iga seansi jooksul dialoog. Seansid võimaldavad kahesuunalist sidet täisdupleks-režiimis või pooldupleks-režiimis. ühendusmeetod on kirjutatud seansikihi päisesse. Seansikiht juhib ja sünkroniseerib andmeülekannet ning kaitseb ülekande katkestuste eest. Seansikihi protokollide hulgas on sellised liidesed nagu Network Basic Input/Output System (NetBIOS), Berkeley UNIX soklid (Sockets), Windows Sockets (Winsock).

• (4) Transpordikiht
  See teostab andmepakettide transporti täpses jadas ilma vigade ja kadudeta. Lisaks on see kiht võimeline liiklust optimeerima, ühendades eelnevaid mittetäielikke andmepakette. Sellel kihil töötavad transpordiprotokollid nagu TCP, UDP ja domeeninimesüsteemi (DNS) teenus. Transpordikihi omadused on järgmised:

  • Kindlustab andmeedastuse kaitse;
  • Valmistab ette kontrollsummad, mis võimaldavad tuvastada ja parandada andmeedastuse ajal tekkivaid vigu;
  • Arhiveerib ülekantud andmed vea ilmnemise korral edastamiseks;
  • Lisab sõnumi päisesse kontrollsumma ja andmepaketi positsiooni andmed;
  • Vastuvõtvas jaamas pakib andmepaketid lahti ja korrastab need algsesse järjekorda, millele järgneb nende vastuvõtmise kinnituse saatmine.

• (3) Võrgukiht
  See adresseerib sõnumid ja määrab kindlaks marsruudi, mida mööda andmepaketid kantakse üle lähtejaamast sihtjaama. Aadressid lisatakse sõnumitele päisevormis. Kiht jälgib liiklust ja juhib andmeprioriteete (teenusekvaliteet, Quality of Service, QoS). IP-protokoll ja ruuterid töötavad antud kihi baasil.

• (2) Kanalikiht
  See kiht saadab andmekaadreid (sõnumeid) võrgukihilt füüsilisele kihile. See koosneb kahest alamkihist: - meediumpöörduse juhtimiskiht (Media Access Control, MAC) ja loogilise lüli juhtimiskiht (Logical Link Control, LLC). MAC eraldab tööjaamadele ligipääsu operatiivmeediumile ja defineerib MAC aadressid. LLC määrab kindlaks loogilise struktuuri. Vastuvõtja poolel pakib andmelülikiht füüsilise kihi järjestikbitid andmekaadrite formaati.

  Iga kaadri saatmisele järgneb selle saabumise kinnituse genereerimine. Kaadrid, mille kohta ei ole vastuvõtmise kinnitust, või mis on viga saanud, edastatakse uuesti. Silld- ja kommutaatorseadmed töötavad kanalikihi baasil.

• (1) Füüsiline kiht
  See kiht pakub kaadrites baitide ja bittide krüpteerimist elektriliste või valgussignaalide moel, nagu ka nende edastamist võrgumeediumile (kaabel). Lisaks sellele teostab see järgnevaid põhifunktsioone

  • Defineerib kaablite ühendamisviisid võrgujaamade väljundterminalidesse;
  • Defineerib andmeedastustehnika mööda võrgukaablit, nagu ka andmekrüpteerimise ja bittsünkroniseerimise;
  • Määrab ära iga biti kestuse ja selle, kuidas bitid muudetakse vastavaks elektriliseks või valgusimpulsiks võrgukaabli jaoks.

  Sellel tasandil opereerivad seadmed on võrgukaardid, kordistajad (doubler), kontsentraatorid ja konverterid.

DoD mudel

DoD (Department of Defense) võrgumudel töötati välja USA Kaitseministeeriumi poolt enne OSI mudelit. See töötati välja koos TCP/IP protokollidega osana ARPAneti projektist. Seetõttu tuntakse DoD ka TCP/IP mudeli nime all. DoD koosneb neljast kihist:

• Rakenduskiht (application layer) – kõige kõrgem mudeli kiht, mis täidab OSI mudeli kolme kõrgema kihi funktsioone;
• Transpordikiht (transport layer) – vastab OSI mudeli transpordikihile;
• Internetikiht (internetworking layer) – vastab OSI mudeli võrgukihile.
• Võrguliidese kiht (network interface) – vastab OSI mudeli kanali- ja füüsilisele kihile.