Počítačové sítě a internet

Většina z nás internet používá každý den. Víš ale, jak funguje?

Internet je globální počítačová síť. Počítačová síť není nic jiného než skupina vzájemně propojených počítačů, díky čemuž mezi nimi může probíhat komunikace (mohou si vyměňovat zprávy).

Možná je to až neuvěřitelné, ale pokud se připojuješ k serveru třeba v Americe, existuje fyzické (resp. fyzikální při šíření vzduchem) spojení, přes které se zpráva šíří. Určite stojí za to podívat se třeba na mapu podmořských kabelů, kde můžeš vidět, jak jsou kontinenty fyzicky propojeny. Na popularitě nabývá i připojení, i díky Starlinku od SpaceX, přičemž na polohu takových satelitů se můžeš podívat třeba tady.

Pokud hraješ videohry, asi jsi už narazil na pojem latence nebo ping. Obě slovíčka se vztahují k době prodlevy mezi odesláním zprávy z našeho počítače na server a obdržení odpovědi ze serveru a typicky jej měříme v milisekundách. Pochopitelně platí, že čím je tento čas kratší, tím lépe.

Tato výměna zpráv je velice důležitá, v internetu jsou připojeny miliardy zařízení, a tak aby vše fungovalo, máme standardizováno, jak mají ony zprávy (komunikace) vypadat. To je účel tzv. síťových protokolů. Může jít o způsob posílání a zpracování elektronické pošty (e-mailu), prosté připojení se k Wi-Fi nebo třeba videohovor. Vše musí být jasně popsáno, aby všechna zařízení v síti věděla, co mají dělat a my se mohli spojit.

Zmínili jsme si e-mail a videohovory, ale služeb internetu je mnohem více. Aby se nám lidem o sítích lépe přemýšlelo a zároveň, abychom měli nějakou klasifikaci oněch protokolů, existují dva základní síťové modely. Prvním je ISO/OSI model, druhým je trochu úspornější TCP/IP model. Oba dva modely popisují počítačové sítě, v případě druhého modelu však autoři nepovažovali za nutné některé aspekty rozlišovat.

Vrstvy modelu se číslují odspodu, fyzická vrstva je tzv. L1 (z anglického layer), vrstva datového spoje L2 a tak dále až po L7 – aplikační vrstvu. Jak je z názvů možná patrné, spodní vrstvy jsou blíže hardwaru (fyzická zařízení, kabely, etc.) vyšší vrstvy jsou blíže uživateli (jedna z motivací sdružení L5-L7 do jedné vrstvy v rámci TCP/IP modelu je právě to, že jsou realizovány v rámci aplikací).

Každá síťová vrstva staví na té předchozí, ke které přidává další funkcionalitu. Naopak neplatí, že by všechna zařízení v síti musela umět pracovat na všech vrstvách (a tedy podporovat protokoly každé vrstvy). Běžně v síti funguje spousta zařízení, která umí jen pár prvních vrstev, jak si ukážeme později.

V této kapitole si postupně projdeme první čtyři vrstvy ISO/OSI modelu, u zbývajících tří vrstev zvolíme strategii TCP/IP modelu a řekneme si něco o nich souhrnně. Než se tak stane, zkusíme si přiblížit, jak data v sítích putují. A jak jinak to udělat než na příkladu obyčejné pošty.

Posíláme dopis

Když někomu chceme poslat dopis, potřebujeme k tomu hned několik věcí. V prvé řadě potřebujeme samotný dopis (text), který chceme poslat. Ten napíšeme na papír a vložíme jej do obálky a tu zalepíme. Dopis si má rozlepit až adresát, všechny informace, které jsou potřeba pro doručení dopisu píšeme na vnější stranu. Jaké informace vlastně potřebujeme?

Zpravidla začínáme jménem adresáta. Následuje adresa, ve které začínáme od nejspecifičtějších informací (číslo popisné, ulice) a pokračujeme k těm obecnějším (PSČ, město, stát). V různých fázích doručování budou používané různé části adresy. V případě doporučeného psaní uvedeme i adresu odesílatele, a následně se můžeme s dopisem vydat na poštu či k poštovní schránce, kde dopis odešleme.

Odesláním končí naše práce, ale to zajímavé teprve začíná. Pošta si vezme náš dopis a podívá se, kam jej má doručit. Podívá se na adresu, přičemž začíná od nejméně specifických údajů: státu a města. Nachází se pošta ve městě jako adresát? Pokud ne, nemusí číst dále a přepošle dopis na odpovídající pobočku. Pokud ano, pokračuje dalšími údaji jako jsou PSČ a ulice. V rámci větších měst můžeme mít více poboček a stávající pobočka, byť ve správném městě, nemusí být pro danou adresu spádová, a tak dojde k dalšímu přeposlání. Nakonec se dopis dostane na správnou pobočku a přijde na řadu pošťák, který se podívá na adresu, na kterou bude dopis doručovat. Následně v ulici vyhledá odpovídající číslo popisné a teprve poté vloží dopis do schránky odpovídající jménu adresáta. Ten si pak dopis otevře a vzkaz si přečte.

Posílání a přijímání zpráv v počítačových sítích funguje velice podobně. Na rozdíl od běžného dopisu, kde máme všechny doručovací údaje všechny pohromadě, v počítačových sítích můžeme vnímat každou vrstvu jako samostatnou obálku, přičemž čím vyšší vrstva, tím vnořenější obálka. V případě našeho poštovního příkladu by to znamenalo, že obálka se státem a městem bude obsahovat obálky s ulicí a jménem.

L1: Fyzická vrstva

Fyzická vrstva je první vrstvou, která nám definuje samotné propojení. Specifikuje, jak mají vypadat síťové kabely, které piny (kontakty) mají jakou funkcionalitu a které hodnoty napětí mají jaký význam.

U každé vrstvy máme tzv. datovou jednotku (anglicky data unit), tedy nejmenší jednotku, ve které můžeme měřit komunikaci/zprávy. Na úrovni fyzické vrstvy jde o bit.

V případě našeho poštovního příkladu by fyzická vrstva odpovídala poštovní schránce, do které dopis hážeme, nebo třeba i silnici, po které se pošťáci pohybují.

L2: Vrstva datového spoje

Druhou vrstvou je vrstva datového spoje. Ta už definuje komunikaci mezi dvěma a více spojenými stranami, kontroluje, jak dlouho může která strana vysílat a kdy, poskytuje i jistou opravu chyb. Na vrstvě datového spoje už existuje i adresace, každá strana má svou jedinečnou adresu, tzv. MAC (Media Access Control) adresu.

Důležitým zařízením na L2 je přepínač (anglicky switch), který má více rozhraní (anglicky interface), což je společný termín pro konektory a vysílače (např. pro Wi-Fi), takže je schopen propojit hned několik zařízení najednou.

Každé zařízení v síti si udržuje tabulku, ve které si pamatuje všechny MAC adresy v síti a také to, za kterým rozhraním se daná adresa nachází (tj. kterým rozhraním musí zprávu do dané sítě odeslat). Pokud nějaké zařízení dostane zprávu, která není pro něj, ale v tabulce najde záznam pro adresáta, přepošle zprávu odpovídajícím rozhraním. Součástí funkcionality druhé vrstvy je samozřejmě i aktualizace těchto tabulek.

V případě obrázku výše, pokud by chtěl první počítač (PC 1) poslat zprávu třetímu počítači (PC 3), vytvoří rámec, jehož datová část bude obsahovat danou zprávu a do jeho hlavičky vloží svou MAC adresu (24:33:ed:ba:05:de) jako adresu odesílatele a jako adresáta nastaví MAC adresu třetího počítače (31:15:0d:bf:51:42). Následně rámec odešle jediným spojením, které má, a ten dorazí k přepínači. Přepínač se podívá na adresáta a do své tabulky a zjistí, že adresa adresáta se nachází za rozhraním if/3. Zprávu tedy odešle přes toto rozhraní, třetí počítač se podívá na rámec, který přijme a zjistí, že adresátem je jeho MAC adresa.

Datovou jednotkou druhé vrstvy je tzv. rámec (anglicky frame). Oproti L1 už nejde o jednotlivé bity, ale o sekvenci bitů s pevně danou strukturou. Rámec můžeme rozdělit na dvě hlavní části, první říkáme hlavička, která obsahuje informace nutné pro doručení v síti – především MAC adresy odesílatele a adresáta. V druhé části jsou samotná data, která v daném rámci posíláme.

L3: Síťová vrstva

Třetí vrstvou je síťová vrstva. Ta zajišťuje komunikaci mezi jednotlivými L2 spojeními (sítěmi). Máme-li přepínač, ke kterému je připojeno několik zařízení, můžeme mluvit o síti. Představme si, že máme druhý přepínač, do kterého je opět připojeno několik zařízení. Kdybychom chtěli tyto dvě sítě propojit tak, aby spolu všechna zařízení mohla komunikovat, museli bychom přepínače propojit. Tím bychom ale přestali mít dvě sítě, ale získali bychom jednu, přičemž oba dva přepínače by si udržovaly tabulku pro všechna zařízení. V případě množství zařízení v dnešních sítích by výsledné tabulky byly obrovské a hledání v nich velmi pomalé. Také by se při jakékoliv změně v jedné podsíti musely změnit tabulky i v druhé podsíti.

Síťová vrstva oba problémy řeší přidáním nového zařízení do sítě. To nazýváme směrovač (anglicky router) a přepínače v síti propojujeme přes něj. Na rozdíl od přepínače, směrovač nepracuje s MAC adresami, ale místo nich zavádí IP (Internet Protocol) adresy. Aktuálně se v internetu setkáme se dvěma verzemi IP protokolu, IPv4 a IPv6. Tyto dva protokoly se od sebe v mnohém liší, vč. podoby samotných IP adres, nicméně principy zůstávají stejné. Základy si vysvětlíme na starších IPv4 adresách, které jsou přeci jen o trochu přístupnější.

IPv4 adresa je 32bitové číslo, přičemž jej zapisujeme po čtyřech osmibitových hodnotách (0-255) oddělených tečkou, např. 192.168.10.1 nebo 172.16.0.33. Stejně jako u MAC adres, IP adresa musí být v síti unikátní.

Oproti MAC adresám a přepínačům si na třetí vrstvě směrovač nepamatuje všechny adresy v síti. Takový přístup by nám ostatně moc výhod oproti MAC adresám nepřinesl. Místo toho si směrovač pamatuje pouze adresy sítí a při přeposílání zpráv se orientuje podle nich. Směrovač tedy potřebuje mechanismus, pomocí kterého určí, do jaké sítě adresa patří.

K tomuto účelu slouží maska sítě (anglicky netmask), což je číslo, které nám udává, kolik prvních bitů IP adresy identifikuje síť. Zbytek bitů pak identifikuje zařízení v síti. Masku typicky zapisujeme lomítkem za konkrétní IP adresou.

Pro správné pochopení toho, jak masky fungují, je nezbytná alespoň základní znalost dvojkové soustavy. Pokud jsi ještě nečetl příslušnou kapitolu, možná je vhodný čas do ní nakouknout.

Adresy se stejnými maskami, které mají identickou adresu sítě patří do stejné sítě. V případě, že se shodují i části adresy identifikující zařízení, jedná se o stejné zařízení. Naopak pokud se liší adresy sítě, pak na druhé části nezáleží.

V případě našich dvou L2 sítí, každá z nich dostane svou adresu sítě a zařízení v rámci sítě dostanou odpovídající IP adresy. Komunikace v rámci sítě probíhá obdobně jako předtím, akorát teď už můžeme kontaktovat zařízení v druhé síti. Stačí nám znát IP adresu takového zařízení. Pokud takovou adresu máme, stačí nám vyslat paket, jak nazýváme datovou jednotkou síťové vrstvy, který bude obsahovat adresy adresáta a odesílatele, stejně jako předtím rámec s tím rozdílem, že nyní mluvíme o IP adresách.

Když posíláme paket do jiné sítě, musí jeho cesta nutně vést přes nějaký směrovač. Potřebujeme proto předat paket směrovači v naší síti, aby jej přeposlal do jiné sítě, ale máme jen jednu cílovou adresu a ta odpovídá konečnému příjemci. Takže jak paket předáme konkrétnímu směrovači? Tady hezky vynikne rozdílná funkcionalita druhé a třetí vrstvy: paket pošleme směrovači tak, že jej zabalíme do L2 rámce, který bude mít naši MAC adresu jako adresu odesílatele a MAC adresu směrovače jako adresu příjemce. Rámec dorazí ke směrovači, ten si jej rozbalí a dostane náš L3 paket s cílovou adresou v jiné síti. Tak směrovač pozná, že paket není určen pro něj, podívá se do své tabulky, do které sítě paket míří, zabalí paket do nového L2 rámce a rámec odešle.

V síti se běžně objevují pakety, které míří do jiné sítě, kterou směrovač nemá v tabulce. V případě, že si s paketem nevíme rady, zahodíme ho. Výjimkou je situace, kdy máme nastavenou tzv. výchozí bránu (anglicky default gateway), což je typicky směrovač, který se použije, pokud není jiná cesta známa. Díky tomu nemusí mít směrovače ve své směrovací tabulce všechny sítě, ale jen ty, které používají jinou cestu než je použita pro výchozí bránu. Nevýhodou tohoto řešení je zvýšený provoz v síti, protože pakety do neexistujících sítí jsou zahozeny později.

Podstatnou změnou oproti předchozí vrstvě je, že si směrovač v tabulce pamatuje jen sítě s jejich maskami, ne všechna zařízení v rámci sítě. To má za následek to, že směrovač může do sítě přeposlat i paket, jehož adresa adresáta do sítě patří, ale žádné zařízení ji nemá přidělenou. V takovém případě se paket v síti zahodí.

Důležitým termínem, kterým třetí vrstvu opustíme, je hop-by-hop, což je označení pro způsob směrování paketu mezi sítěmi, které jsme si ukázali výše. Řekli jsme si, že pokud paket směřuje do jiné sítě, směrovač se podívá do své tabulky a pošle ho nejvhodnějším směrem. Jinak řečeno, jednotlivé směrovače nevolí (neurčují) paketu celou trasu k cíli, ale pouze ho k cíli o kousek přiblíží. Tomuto přiblížení (výměně paketu mezi dvěma směrovači) se odborně říká skok (hop), směrování tedy probíhá skok-po-skoku (hop-by-hop).

L4: Transportní vrstva

Doposud jsme se bavili o posílání nanejvýše jednotlivých zpráv, s těmi si ale v sítích nevystačíme. Vem si takový videohovor, kde posíláme v rychlém sledu po sobě spoustu dat s obrazem a zvukem. Kdybychom se na tato data dívali jako na nezávislé zprávy, měli bychom problém z dat u příjemce zrekonstruovat původní obraz a zvuk. Třeba i proto, že bychom nebyli schopni určit pořadí jednotlivých paketů. A přesně toto je jeden z problémů, které v sítích řeší transportní vrstva.

Na rozdíl od dvou předchozích vrstev, L4 už nepřidává žádné další adresy, ale místo toho zavádí tzv. port. Port je 16bitové číslo (hodnoty 0-65535), které identifikuje protokol/službu na straně odesílatele a adresáta. Takových služeb může na jednom zařízení běžet spousta (např. webový server, e-mailový server, souborový server etc.) a porty jsou způsob jak rozlišit, pro koho je ta která zpráva určená. Port často zapisujeme za dvojtečkou za IP adresu, např. 192.168.10.32:8080 určuje službu běžící na portu 8080 na zařízení s adresou 192.168.10.32.

Na transportní vrstvě máme dva hlavní protokoly, TCP a UDP. Datovou jednotkou transportní vrsty je segment v případě prvního protokolu a datagram v případě druhého.

TCP (Transmission Control Protocol) je protokol, který ke stávajícímu paketu L3 vrstvy přidá již zmíněný port a číslo paketu (abychom věděli, jak na sebe zprávy navazují). TCP zároveň vyžaduje, aby bylo doručování zpráv potvrzováno. Tím se totiž zajistí, že všechny zprávy v pořádku došly, a v případě, že se nějaká cestou ztratí, protokol ji umí poslat znovu. To ovšem znamená, že spojení bude sice spolehlivé, ale relativně pomalé. S TCP se setkáváme dnes a denně, například i tento web si prohlížíš přes TCP spojení.

UDP (User Datagram Protocol) je protokol, který si za cíl klade především rychlost. Stejně jako TCP přidává port a číslování paketů, ale na rozdíl od TCP se nezdržuje potvrzováním. Díky tomu je přenos rychlý a s malým zpožděním, proto se tento protokol používá například u zmíněných videohovorů, kde tolik nevadí, že se občas nějaká zpráva ztratí (může se to projevit artefaktem – chybou v obrazu či zvuku), důležité je, že si spolu můžeme povídat bez významného zpoždění.

L5-L7: Aplikační vrstva

U posledních tří vrstev, které jsou nejblíže uživateli, se zdržíme jen krátce tak, abychom popsali některé aspekty a funkcionality, které nabízí. Kromě toho, že na těchto vrstvách žijí všechny důležité protokoly, se kterými se jako uživatelé setkáváme (především HTTP(s) pro web nebo SMTP pro e-mail), tyto vyšší vrstvy zajišťují správnou komunikaci mezi jednotlivými aplikacemi (např. komunikace přes Messenger) a nebo třeba šifrování.

Pokud v naší poštovní analogii byla transportní vrstva poštovní schránkou v domě, pak na úrovni páté až sedmé vrstvy si můžeme představit předávání dopisu v rámci jedné domácnosti.

Posíláme dopis, digitálně!

Teď, když jsme si prošli jednotlivé vrstvy, se ještě jednou podívejme na celou cestu zprávy sítí. Zprávu většinou posíláme z nějaké aplikace, kde nejprve napíšeme zprávu samotnou a následně ji odešleme.

Zjednodušeně, proces odeslání probíhá tak, že aplikace vezme naše data (text zprávy) a přidá jednotlivé hlavičky prvních tří síťových vrstev (k datům přidá hlavičky L7, pak L6 hlavičku a nakonec L5), tato data předá operačnímu systému našeho počítače, který přidá nejprve L4 hlavičku, pak L3 hlavičku a předá tato data síťové kartě, která doplní poslední dvě vrstvy a zprávu odešle.

Zpráva nejprve putuje v naší lokální síti, dorazí tedy k přepínači, který se podívá, kterému zařízení (MAC adrese) je zprávy určena (podívá se tedy na obsah L2 hlavičky) a přepošle ji nejbližšímu směrovači. Směrovač se podívá na zprávu a přečte si L3 hlavičku s IP adresou adresáta, podívá se do své směrovací tabulky, kterým směrem (přes jaké rozhraní) má zprávu odeslat a odešle ji. Zpráva takto proskáče (hop-by-hop) celou sítí, až dorazí do té cílové, kde směrovač pošle zprávu nejprve přepínači, který ji pak pošle (dle L2 adresy, na kterou se podívá v odpovídající hlavičce) správnému počítači.

Do počítače zpráva dorazí přes síťovou kartu, který zprávu rozbalí, zbaví prvních dvou hlaviček a předá ji operačnímu systému. Ten zprávu zbaví L3 a L4 hlaviček, přičemž cílový port použije k určení aplikace, které má předat zbytek dat (L5 až L7 hlavičky a data – samotný text zprávy). Aplikace dostane, co zbylo ze zprávy, rozbalí si poslední tři hlavičky (takže například zprávu dešifruje) a uživateli na druhé straně zobrazí námi odeslaný text zprávy.