Aktuální vydání

celé číslo

03

2021

Digitální transformace, chytrá výroba, digitální dvojčata

Komunikační sítě, IIoT, kybernetická bezpečnost

celé číslo

Principy připojování autonomních zařízení do internetové sítě

číslo 5/2002

Principy připojování autonomních zařízení do internetové sítě

Propojovat dosud na sobě nezávislá zařízení do sítí a vytvářet z nich inteligentní celky je trend, který hýbe současným světem informačních technologií a jejich prostřednictvím i oborem automatizační techniky. Vhodnými příklady jsou např. moderní průmyslový provoz i tzv. inteligentní dům. Článek se věnuje základním pojmům používaným v oblasti hardwaru i softwaru zajišťujících připojení zařízení do sítě s protokoly z rodiny TCP/IP.

Komunikační model
Současné trendy ukazují, že v průmyslu i v domácím použití je jediným reálně použitelným standardem síť typu TCP/IP.

Ve spotřební oblasti sice řinčí zbraněmi Bluetooth, bezdrátové spojovací rozhraní pracující na nepříliš vhodně zvolené frekvenci a určené pro zařízení, která komunikují pouze občas a nemusí fungovat zcela spolehlivě, když je např. zarušeno frekvenční pásmo. Jiné známé rozhraní je USB, které je ale doménou pouze periferií k počítačům PC.

V průmyslu již existuje množství nejrůznějších rozhraní typu RS-485, sběrnice CAN atd. Většina těchto rozhraní však byla vyvinuta ke konkrétnímu účelu do konkrétního prostředí. Sice výborně odolávají průmyslovým rušením a umožňují realizovat rozvody i na vetší vzdálenosti, ale většinou je definována pouze jejich fyzická komunikační vrstva, a nemají ani potřebnou datovou propustnost, ani komunikační protokoly pro vytváření složitějších sítí.

Hovoří-li se dále v tomto článku o síti, myslí se tím „internetová síť“, tj. síť, která komunikuje na základě protokolů z rodiny TCP/IP. Její komunikační model je na obr. 1.

Obr. 1.

Propojovací média
K přenosu dat prostřednictvím protokolů TCP/IP může sloužit téměř cokoliv od linky RS-232, přes komutovanou telefonní linku a ISDN až např. po GSM.

V lokálních sítích se používají převážně linkové protokoly Ethernet, Fast Ethernet, gigabitový Ethernet a FDDI, které jako fyzické médium pro přenos dat nejčastěji používají optické kabely nebo metalická vedení s kroucenými páry vodičů (TP).

Fyzická vrstva
Pro klasický Ethernet s přenosovou rychlostí 10 Mb/s se používá i tenký koaxiální kabel s konektory typu BNC (10BASE2). Fast Ethernet (100 Mb/s) již využívá pouze vedení s optickými kabely nebo dvoupárovou kroucenou dvoulinku (100BASE-TX), kde je jeden pár vodičů určen pro vysílání a druhý pro příjem dat.

S klesajícími cenami rozbočovačů (hub) a přepínačů (switch), které zajišťují propojení několika vedení s kroucenými páry vodičů, se od používání koaxiálního kabelu ustupuje.

Jakékoliv zařízení, které má být připojeno do sítě, tedy musí mít konektor BNC pro koaxiální kabel nebo RJ45 pro strukturovanou kabeláž z kroucených párů vodičů. Prostřednictvím obou konektorů se lze připojit k Ethernetu.

Názvosloví
10BASE2
jednodušší varianta ethernetové sítě s přenosovou rychlostí do 10 Mb/s využívající koaxiální kabel obvykle standardu RG-58 s délkou do 200 m
100BASE-TX
síť typu LAN s přenosovou rychlostí do 100 Mb/s využívající dva páry běžných měděných kabelů kategorie 5 UTP s délkou kabelu mezi dvěma rozbočovači do 100 m
ARP – Address Resolution Protocol protokol
pro nalezení fyzické (MAC) adresy cílového zařízení podle IP adresy adresáta
Bluetooth
protokol pro bezdrátovou číslicovou komunikaci mezi blízkými zařízeními (do několika desítek metrů) ve volném frekvenčním pásmu 2,5 GHz
BOOTP – BOOT strap Protocol
protokol TCP/IP umožňující např. počítači bez diskové paměti zjistit při zavádění operačního systému svou IP adresu
bridge
most: zařízení fyzicky propojující sítě s rozdílnými protokoly
DNS – Domain Name System
doménový pojmenovávací systém (metoda pro převod jmenných názvů domén na skutečné číselné internetové adresy)
Ethernet
typ počítačové sítě se sběrnicovou a nekruhovou strukturou používaný v současnosti zejména v oblasti LAN
Fast Ethernet
rychlý Ethernet: verze standardu sítě Ethernet umožňující přenos dat rychlostí až 100 Mb/s
FDDI – Fiber Distributed Data Interface
americký standard pro vysokorychlostní (až 100 Mb/s) LAN využívající k přenosu optická vlákna při vzdálenosti mezi koncentrátorem a stanicí až 2 km (popř. až 60 km)
FTP – File Transfer Protocol
druh interaktivního přenosu souborů používající tzv. ftp server, často používaný v sítích s protokolem TCP/IP
gigabitový Ethernet
verze standardu sítě Ethernet umožňující přenos dat rychlostí až 1 Gb/s
GSM – Global System for Mobile Communications
(původně Groupe Spécial Mobile) digitální celulární telefonický standard
HTTP – HyperText Transfer Protocol
protokol určený k přenosu hypertextových souborů po internetu
hub
rozbočovač:
ústřední prvek počítačové sítě s hvězdicovou topologií
ICMP – Internet Control Message Protocol
rozšíření IP pro tvorbu a šíření chybových hlášení, zkušebních paketů apod.
IGMP – Interior Gateway Message Protocol
internetový protokol distribuující data ke směrovačům autonomního systému
IMAP – Internet Mail Access Protocol
jeden z novějších typů internetového serveru (spolupracuje se staršími, ale rozšířenějšími servery typu POP2, POP3)
ISDN – Integrated Services Data Network
digitální síť integrovaných služeb budovaná a rozvíjená na základě stávající telefonní sítě
LAN – Local Area Network
místní (lokální) počítačová síť
MAC – Media Access Control
obecné označení způsobu, jakým stanice získává přístup k přenosovému médiu
NFS – Network File System
skupina protokolů operačního systému Unix (využívá UPD, nikoliv TCP)
POP3 – Post Office Protocol
současná verze široce používaného protokolu pro přenos zpráv elektronické pošty
RARP – Reverse Address Resolution Protocol
protokol pro nalezení IP adresy adresáta podle fyzické (MAC) adresy cílového zařízení
RPC – Remote Procedure Call
metoda komunikace mezi programy nejčastěji využívaná s TCP/IP
RS-232, RS-485
americké, všeobecně přijaté normy pro sériové komunikační přenosy
repeater
opakovač: zařízení obecně používané v komunikacích k zesílení nebo k obnově signálu
SMTP – Simple Mail Transfer Protocol
protokol pro správný a bezpečný přenos zpráv elektronické pošty po internetu
SNMP – Simple Network Management Protocol
standardní řídicí protokol sítě
SSL – Secure Sockets Layer
protokol pro zašifrovanou, bezpečnou a autentizovanou komunikaci po internetu (označení https)
switch
přepínač; správněji přepínatelný rozbočovač (switching hub); rozbočovač, který zařízení nebo segmentu sítě posílá pouze ty pakety, které jsou pro něj určeny
TCP/IP – Transmission Control Protocol/Internet Protocolstandard jednoho z nejpoužívanějších přenosových a komunikačních protokolů, zajišťující bezchybné spojení mezi dvěma spolupracujícími programy; je použitelný v kabelážích typů X.25 a Ethernet
Telnet
program a protokol umožňující připojení k unixovému počítači, zejména vzdálenému internetovému serveru
TFTP – Trivial File Transfer Protocol
zjednodušený protokol pro přenos souborů
TP – Twisted Pair
kroucený pár vodičů (dvoulinka): speciální kabel vytvořený zkroucením dvou izolovaných vodičů, jednoho uzemněného a druhého přenášejícího signál
UDP – User Datagram Protocol
transportní protokol negenerující spojení, který pracuje nad IP v TCP/IP; neposkytuje zcela spolehlivý přenos
USB – Universal Serial Bus
nejnovější druh vnějšího rozhraní osobního počítače s přenosovou rychlostí až 12 Mb/s
XDR – eXternal Data Representation
komunikační protokol používaný v systémech s operačním systémem Unix

Linková vrstva
Na popsanou fyzickou vrstvu, která definuje elektrické rozhraní, navazuje vrstva linková. Každé zařízení (např. síťová karta) obsahuje šestibytovou adresu MAC, která se skládá z kódu výrobce a výrobního čísla karty. Adresa MAC by měla být unikátní. Linková vrstva podle adres MAC distribuuje pakety dat mezi jednotlivými zařízeními nebo segmenty v síti. Klasický opakovač (repeater) zajišťuje v síti pouze fyzické spojení mezi jednotlivými zařízeními, přepínač nebo most (bridge) již posílá zařízení nebo celému segmentu sítě pouze pakety, které se jej týkají. Linková vrstva tedy zajišťuje distribuci paketů dat mezi počítači jedné lokální sítě.

Obr. 2.

Síťová vrstva
Na linkovou vrstvu navazuje síťová vrstva, tvořená protokolem IP (InterNet Protocol), z jehož názvu vzniklo slovo internet. Linkové protokoly přenášejí data v rámci jedné sítě, zatímco IP přenáší data mezi dvěma sítěmi i skrze mnoho jiných sítí. InterNet Protocol operuje se svojí vlastní známou, čtyři byty dlouhou IP adresou. Síťová vrstva komunikačního modelu tedy přenáší tzv. síťové pakety dat mezi odesílatelem a adresátem skrz rozsáhlé sítě (obr. 2).

Transportní vrstva
Transportní vrstva se zcela spoléhá na služby nižších vrstev a zpřístupňuje spojení nadřazené aplikaci. Těchto aplikací může být i několik, takže mezi dvěma počítači může být realizováno i několik spojení pro různé aplikace současně. Typickým příkladem jsou protokoly TCP a UDP. Zatímco TCP ověřuje doručení paketu a v případě ztráty jej zopakuje, UDP pouze odesílá datagramy, a již neověřuje jejich doručení. Tento rozdíl je důležitý pro nadřazené aplikace, které nemohou spoléhat na doručení datagramu, nicméně i UDP má mnoho oblastí efektivního využití.

Protokol TCP tedy po dobu spojení mezi dvěma aplikacemi vytváří obousměrný duplexní virtuální přenosový okruh. Přenášené pakety jsou číslovány a ztracená nebo poškozená data jsou znovu vyžádána. Integrita dat je zabezpečena kontrolním součtem. Zabezpečení však nešifruje a nechrání proti útočníkům, to je starost jiných protokolů z rodiny TCP/IP, např. protokolu SSL.

Obr. 3.

Aplikační protokoly
Aplikační protokoly používají ke komunikaci pouze přenosové protokoly TCP/IP. Hovoří se o nich jako o jednotlivých internetových protokolech neboli službách. Příklady jsou SNMP pro správu sítí nebo uživatelské protokoly HTTP, SMTP, Telnet, FTP, IMAP, POP3 aj. – viz obr. 3.

Softwarové požadavky na zařízení
Jakékoliv zařízení určené ke komunikaci po síti tedy musí mít implementovány popsané protokoly, aby mohlo využívat ty aplikace, které na ně navazují. Od linkové vrstvy včetně se již jedná pouze o software pro řídicí procesor každého zařízení, a proto se těžiště celé problematiky komunikace přesouvá téměř výhradně do oblasti softwaru.

Jan Řehák
rehak@hw.cz

Inzerce zpět