Witam Państwa na pierwszym wykładzie!

• Zaczniemy od samych podstaw, cofając się do lat 70., aby zrozumieć, jak narodziła się technologia, która dziś stanowi kręgosłup globalnej komunikacji – sieć Ethernet.
• Celem tego kursu jest zbudowanie solidnego fundamentu, od historycznych korzeni po praktyczną konfigurację współczesnych urządzeń.
• Proszę nie obawiać się zadawania pytań – jesteśmy tu, aby się uczyć.

• Nasza podróż rozpoczyna się w legendarnym ośrodku badawczym Xerox PARC (Palo Alto Research Center) na początku lat 70. XX wieku.
• To tam młody inżynier, Robert Metcalfe, wraz ze swoim zespołem, stanął przed wyzwaniem połączenia pierwszych na świecie komputerów osobistych, Xerox Alto, z drukarkami laserowymi.
• Istniejące technologie sieciowe były zbyt drogie i skomplikowane.
• Potrzebowano czegoś prostego, taniego i wydajnego, co umożliwiłoby lokalną wymianę danych.
• Tak powstała koncepcja sieci, którą Metcalfe nazwał "Ethernet", inspirując się XIX-wieczną teorią eteru, hipotetycznego ośrodka wypełniającego wszechświat.

• Kluczową ideą wczesnego Ethernetu było wykorzystanie jednego, wspólnego medium transmisyjnego dla wszystkich podłączonych urządzeń – grubego kabla koncentrycznego.
• Proszę sobie wyobrazić, że wszystkie komputery w jednym pokoju są podłączone do tej samej, jednej "rury", przez którą przesyłane są dane.
• To genialne w swojej prostocie rozwiązanie miało jednak fundamentalną konsekwencję: w danym momencie tylko jedno urządzenie mogło nadawać.
• Gdyby dwa urządzenia zaczęły mówić jednocześnie, ich sygnały nałożyłyby się na siebie, tworząc niezrozumiały szum.
• Ten problem nazywamy kolizją.

• Aby zarządzać dostępem do wspólnego medium i unikać chaosu, twórcy Ethernetu opracowali genialny protokół o nazwie CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection).
• Można go przyrównać do zasad kulturalnej rozmowy w grupie.
• Carrier Sense (CS): Nasłuchuj, czy ktoś inny nie mówi. Zanim zaczniesz nadawać, sprawdź, czy medium jest wolne.
• Multiple Access (MA): Każdy ma prawo do głosu. Wszystkie urządzenia mają równy dostęp do medium.
• Collision Detection (CD): Wykryj, jeśli ktoś zaczął mówić w tym samym czasie co Ty. Jeśli dojdzie do kolizji, przestań mówić.
• Dzięki tym prostym regułom, sieć mogła samodzielnie organizować ruch bez potrzeby centralnego zarządcy.

• Przeanalizujmy proces wysyłania danych w sieci z CSMA/CD.

1. Komputer A chce wysłać dane do komputera B. Sprawdza, czy kabel (medium) jest wolny.
2. Jeśli medium jest wolne, komputer A zaczyna nadawać ramkę danych, jednocześnie monitorując sygnał na kablu.
3. W tym samym czasie komputer C również decyduje się na nadawanie, bo przed chwilą medium było wolne.
4. Sygnały z A i C spotykają się na kablu, tworząc kolizję - skok napięcia, który jest nietypowy dla normalnej transmisji.
5. Oba komputery (A i C) wykrywają kolizję (Collision Detection). Natychmiast przerywają nadawanie i wysyłają krótki sygnał zagłuszający (JAM), aby poinformować wszystkie inne urządzenia o zderzeniu.
6. Po wysłaniu sygnału JAM, każdy z komputerów (A i C) uruchamia algorytm "binary exponential backoff" (binarnego wykładniczego odroczenia) - losuje czas, który musi odczekać przed ponowną próbą nadawania. Dzięki losowości jest mało prawdopodobne, że znów zaczną nadawać w tym samym momencie.

• W sieciach komputerowych musimy rozróżnić dwa fundamentalne pojęcia: topologię fizyczną i logiczną.
• Topologia fizyczna opisuje, w jaki sposób urządzenia są fizycznie połączone kablami. Odpowiada na pytanie: "Jak wygląda mapa kabli?". Przykłady to topologia magistrali, gwiazdy, pierścienia czy siatki.
• Topologia logiczna opisuje, w jaki sposób dane przepływają między urządzeniami, niezależnie od fizycznego ułożenia kabli. Odpowiada na pytanie: "Jak urządzenia ze sobą 'rozmawiają'?". Przykładem jest logiczna magistrala lub logiczny pierścień.
• Co ciekawe, topologia fizyczna i logiczna nie muszą być takie same. We wczesnym Ethernecie obie były topologią magistrali. Dziś najczęściej używamy fizycznej gwiazdy, która logicznie (przy użyciu koncentratora) nadal działa jak magistrala.

• Pierwsze sieci Ethernet były budowane w oparciu o fizyczną topologię magistrali.
• Wszystkie komputery i urządzenia sieciowe były podłączane do jednego, długiego segmentu kabla koncentrycznego.
• Do podłączenia stacji roboczych używano specjalnych złączy w kształcie litery T (trójników), które "wgryzały" się w główny kabel.
• Na obu końcach magistrali musiały znajdować się specjalne oporniki, zwane terminatorami, o impedancji 50 omów.
• Ich zadaniem było pochłanianie sygnału, aby nie odbijał się on od końca kabla i nie wracał, zakłócając transmisję.
• Brak lub uszkodzenie terminatora powodowało awarię całej sieci.

• Mimo swoich wad, topologia magistrali zdominowała wczesne sieci lokalne z kilku powodów.
• Przede wszystkim, była to technologia stosunkowo tania w implementacji.
• Wymagała znacznie mniejszej ilości kabla niż, na przykład, topologia gwiazdy, ponieważ nie trzeba było prowadzić osobnego przewodu od każdego komputera do centralnego punktu.
• Instalacja była prosta i nie wymagała skomplikowanych, aktywnych urządzeń pośredniczących, takich jak przełączniki.
• W małych sieciach, z kilkoma lub kilkunastoma komputerami, sprawdzała się całkiem dobrze i była łatwa do rozbudowy - wystarczyło "wpiąć" kolejny trójnik i podłączyć nowy komputer.

• Niestety, wady topologii magistrali szybko dały o sobie znać wraz ze wzrostem popularności sieci.
• Największym problemem była niska odporność na awarie.
• Przerwanie kabla w dowolnym miejscu powodowało awarię całego segmentu sieci, ponieważ sygnał nie mógł dotrzeć do terminatora i zaczynał się odbijać.
• Lokalizacja takiej usterki była niezwykle trudna i czasochłonna.
• Co więcej, wydajność sieci drastycznie spadała wraz z dodawaniem kolejnych użytkowników, ponieważ rosła liczba kolizji.
• Każde urządzenie musiało "walczyć" o dostęp do medium.
• Bezpieczeństwo również było problemem - każdy komputer w segmencie "słyszał" transmisję wszystkich innych.

• Fundamentalną cechą logicznej magistrali jest komunikacja oparta na rozgłoszeniu (broadcast).
• Oznacza to, że gdy jedno urządzenie nadaje ramkę danych, jest ona odbierana przez **wszystkie** inne urządzenia podłączone do tego samego segmentu sieci.
• To trochę tak, jakby ktoś krzyczał informację w pokoju pełnym ludzi - wszyscy go słyszą.
• Każde urządzenie, które odbierze ramkę, analizuje jej nagłówek, aby sprawdzić adres docelowy (adres MAC).
• Jeśli adres docelowy w ramce zgadza się z adresem własnym urządzenia, ramka jest akceptowana i przetwarzana.
• W przeciwnym wypadku jest po prostu ignorowana.
• Ta zasada "jeden nadaje - reszta słucha" jest kluczowa dla zrozumienia działania wczesnego Ethernetu.

• Wprowadzamy teraz bardzo ważne pojęcie: **domena kolizyjna**.
• Jest to obszar sieci, w którym ramki danych wysyłane przez dwa różne urządzenia mogą się ze sobą zderzyć (doznać kolizji).
• W klasycznym Ethernecie opartym na topologii magistrali i kablu koncentrycznym, cały segment sieci stanowił jedną, dużą domenę kolizyjną.
• Oznaczało to, że im więcej komputerów dodawaliśmy do sieci, tym większe było prawdopodobieństwo wystąpienia kolizji i tym niższa stawała się efektywna przepustowość.
• Każdy musiał czekać na swoją kolej, a "wypadki" (kolizje) zdarzały się coraz częściej, spowalniając wszystkich.

• Pierwszym standardem okablowania dla Ethernetu był 10BASE5, potocznie nazywany "Grubym Ethernetem" (Thick Ethernet).
• Nazwa pochodzi od grubego (ok. 1 cm średnicy), żółtego kabla koncentrycznego, który był sztywny i trudny w instalacji.
• Prędkość transmisji wynosiła 10 Mb/s, a maksymalna długość jednego segmentu to 500 metrów (stąd "5" w nazwie).
• Do podłączania urządzeń używano specjalnych urządzeń zwanych "transceiverami" lub "wampirkami" (vampire taps), które dosłownie przebijały izolację kabla, aby uzyskać dostęp do miedzianego rdzenia.
• Była to technologia droga, nieelastyczna i skomplikowana w montażu.

• Następcą 10BASE5 był standard 10BASE2, znany jako "Cienki Ethernet" (Thin Ethernet) lub "Cheapernet".
• Wykorzystywał on znacznie cieńszy, bardziej elastyczny i tańszy kabel koncentryczny (podobny do antenowego), co znacznie ułatwiało instalację.
• Zamiast "wampirek", stosowano wspomniane wcześniej złącza BNC i trójniki, które łączyły poszczególne odcinki kabla "od komputera do komputera".
• Maksymalna długość segmentu została skrócona do około 185 metrów (stąd "2" w nazwie, co jest zaokrągleniem).
• Mimo że był to krok naprzód pod względem kosztów i wygody, 10BASE2 wciąż cierpiał na wszystkie fundamentalne wady topologii magistrali, zwłaszcza na brak odporności na awarie.

• Każda sieć komputerowa składa się z elementów pasywnych i aktywnych.
• Elementy pasywne to te składniki infrastruktury, które nie wymagają zasilania elektrycznego do swojego działania.
• Ich rolą jest wyłącznie tworzenie medium transmisyjnego – czyli drogi, którą mogą podróżować sygnały elektryczne lub świetlne.
• Są one fundamentem, na którym budujemy całą komunikację.
• Do podstawowych elementów pasywnych zaliczamy okablowanie (koncentryczne, skrętka, światłowody), wtyki i złącza (BNC, RJ-45), gniazda sieciowe, a także terminatory w starych sieciach magistralowych.

• W przeciwieństwie do elementów pasywnych, elementy aktywne to wszystkie urządzenia, które do swojego działania wymagają zasilania elektrycznego.
• Ich zadaniem jest nie tylko przesyłanie sygnału, ale również jego aktywne przetwarzanie – wzmacnianie, regenerowanie, a w przypadku bardziej zaawansowanych urządzeń, podejmowanie decyzji o jego dalszej drodze.
• We wczesnych sieciach Ethernet podstawowymi urządzeniami aktywnymi były repeatery (wzmacniaki) i koncentratory (huby), o których opowiemy więcej w kolejnych częściach.
• To właśnie one pozwoliły na rozbudowę sieci poza ograniczenia jednego segmentu kabla.

• Każdy sygnał elektryczny podróżujący przez kabel ulega zjawisku zwanemu **tłumieniem** (attenuation).
• Oznacza to, że z każdym metrem przebytej drogi sygnał słabnie, traci swoją moc i staje się coraz bardziej podatny na zakłócenia.
• To właśnie tłumienie jest głównym powodem, dla którego istnieją ograniczenia długości kabli w standardach sieciowych (np. 500m dla 10BASE5, 100m dla skrętki).
• Gdyby sygnał był zbyt słaby, urządzenie docelowe nie byłoby w stanie go poprawnie odczytać i zinterpretować.
• Aby temu zaradzić i budować większe sieci, wymyślono urządzenia aktywne, które potrafią "odświeżyć" sygnał.

• Najprostszym urządzeniem aktywnym, służącym do walki z tłumieniem, jest **repeater** (wzmacniak).
• Jest to urządzenie działające w warstwie 1 (fizycznej) modelu OSI.
• Posiada dwa porty i jego zadanie jest niezwykle proste: wszystko, co odbierze na jednym porcie, regeneruje do pierwotnej postaci (usuwa szumy i przywraca kształt) i wysyła dalej drugim portem.
• Repeater nie analizuje żadnych adresów ani danych zawartych w ramce.
• Jest "elektrycznie przezroczysty" - po prostu kopiuje bity.
• Pozwalało to na łączenie dwóch segmentów kabla koncentrycznego i tworzenie dłuższych sieci, ale nie rozwiązywało problemu kolizji – wręcz przeciwnie, powiększało domenę kolizyjną.

• Kolejnym krokiem ewolucji był **koncentrator**, czyli popularny **hub**.
• Można go sobie wyobrazić jako "wieloportowy repeater".
• To urządzenie również działa w warstwie 1 (fizycznej) i, podobnie jak repeater, nie analizuje żadnych adresów.
• Kiedy sygnał dociera na jeden z portów huba, jest on regenerowany, a następnie rozsyłany na **wszystkie pozostałe porty**.
• To właśnie hub umożliwił budowanie sieci w fizycznej topologii gwiazdy, gdzie każdy komputer miał swój własny kabel prowadzący do centralnego urządzenia.
• Mimo fizycznego wyglądu gwiazdy, sieć z hubem wciąż działała jak logiczna magistrala – wszystkie podłączone do niego urządzenia tworzyły jedną, wspólną domenę kolizyjną.

• Wprowadzenie koncentratorów i późniejszych przełączników zrewolucjonizowało budowę sieci lokalnych, popularyzując **fizyczną topologię gwiazdy**.
• W tym modelu każde urządzenie końcowe (komputer, drukarka) jest połączone osobnym kablem z centralnym punktem dystrybucyjnym – hubem lub switchem.
• Taka architektura jest znacznie bardziej odporna na awarie niż magistrala.
• Uszkodzenie jednego kabla powoduje odłączenie tylko jednego urządzenia, a reszta sieci działa bez zakłóceń.
• Diagnostyka problemów stała się o wiele prostsza – wystarczyło spojrzeć na diody na koncentratorze, aby zobaczyć, które połączenie nie działa.

• Równolegle z przejściem na topologię gwiazdy, nastąpiła rewolucja w okablowaniu.
• Kable koncentryczne zostały wyparte przez znacznie tańszą, bardziej elastyczną i wydajniejszą **skrętkę nieekranowaną (UTP - Unshielded Twisted Pair)**.
• Kabel ten składa się z czterech par skręconych ze sobą przewodów miedzianych.
• Skręcenie przewodów w parze nie jest przypadkowe – ma na celu redukcję zakłóceń elektromagnetycznych (tzw. przesłuchów).
• Skrętka, zakończona wtykiem RJ-45, stała się absolutnym standardem w budowie sieci LAN, umożliwiając osiąganie coraz wyższych prędkości – od 10 Mb/s, przez 100 Mb/s (Fast Ethernet), 1 Gb/s (Gigabit Ethernet) aż po 10 Gb/s i więcej.

• Aby urządzenia w sieci Ethernet mogły się ze sobą komunikować, każde z nich musi posiadać unikalny identyfikator.
• Tym identyfikatorem jest **adres MAC (Media Access Control)**.
• Jest to 48-bitowy (6-bajtowy) adres, "wypalany" na stałe w karcie sieciowej przez jej producenta.
• Adres MAC jest globalnie unikalny.
• Jego pierwsza połowa (24 bity) identyfikuje producenta sprzętu (jest to tzw. OUI - Organizationally Unique Identifier), a druga połowa (24 bity) to unikalny numer seryjny nadany przez tego producenta.
• Adres ten jest zapisywany w systemie szesnastkowym, np. `00:1A:2B:3C:4D:5E`.

• Dane w sieci Ethernet nie są przesyłane w sposób ciągły, lecz są dzielone na mniejsze porcje, opakowane w struktury zwane **ramkami (frames)**.
• Ramkę można przyrównać do koperty z listem.
• Posiada ona nagłówek z adresem nadawcy i odbiorcy (adresy MAC), pole z właściwymi danymi (ładunek, np. fragment strony WWW) oraz "stopkę" zawierającą sumę kontrolną (FCS - Frame Check Sequence), która pozwala sprawdzić, czy dane nie zostały uszkodzone w transporcie.
• Dzięki podziałowi na ramki, sieć może efektywniej zarządzać ruchem i współdzielić medium.
• Każda ramka jest autonomiczną jednostką, która może być przesłana przez sieć.

• Wszystkie sieci oparte na wspólnym medium i protokole CSMA/CD, czyli klasyczny Ethernet na kablu koncentrycznym oraz sieci z koncentratorami, działały w trybie **półdupleks (half-duplex)**.
• Oznacza to, że w danym momencie urządzenie może albo nadawać dane, albo je odbierać, ale nigdy nie może robić obu tych rzeczy jednocześnie.
• Jest to jak rozmowa przez krótkofalówkę (walkie-talkie) – gdy jedna osoba mówi, druga musi słuchać, a potem następuje zmiana.
• Konieczność działania w tym trybie wynikała bezpośrednio z faktu, że cała sieć była jedną domeną kolizyjną i jednoczesne nadawanie z odbieraniem byłoby niemożliwe.

• Prawdziwa rewolucja nadeszła wraz z upowszechnieniem się przełączników (switchy), o których będziemy mówić szczegółowo w części trzeciej.
• Przełączniki, w przeciwieństwie do hubów, potrafią tworzyć dedykowane, wirtualne połączenia między portami.
• Dzięki temu, oraz dzięki zastosowaniu skrętki (która ma osobne pary żył do nadawania i odbierania), możliwe stało się działanie w trybie **pełnego dupleksu (full-duplex)**.
• W tym trybie urządzenie może jednocześnie nadawać i odbierać dane.
• Eliminuje to całkowicie problem kolizji na danym połączeniu.
• To jak rozmowa przez telefon – obie strony mogą mówić i słuchać w tym samym czasie, co drastycznie zwiększa efektywną przepustowość.

• Zanim Ethernet został oficjalnie ustandaryzowany przez organizację IEEE, na rynku dominowała jego pierwotna wersja, opracowana wspólnie przez firmy **D**igital Equipment Corporation, **I**ntel oraz **X**erox.
• Standard ten, znany jako **DIX Ethernet** lub Ethernet II, został opublikowany w 1980 roku i stał się podstawą dla przyszłych standardów.
• Różnił się on nieznacznie od oficjalnego standardu IEEE 802.3, głównie w budowie ramki (pole "Typ" w DIX vs. "Długość" w 802.3).
• Współczesne systemy operacyjne potrafią bez problemu obsługiwać oba formaty ramek, ale warto pamiętać o historycznym znaczeniu sojuszu DIX, który spopularyzował tę technologię na masową skalę.

• W 1983 roku organizacja **IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers)**, odpowiedzialna za tworzenie standardów technicznych, oficjalnie ustandaryzowała Ethernet pod nazwą **IEEE 802.3**.
• Chociaż bazował on na standardzie DIX, wprowadzał pewne modyfikacje, m.in. w strukturze ramki.
• Standard 802.3 stał się oficjalnym dokumentem, który precyzyjnie opisywał działanie sieci, parametry okablowania, metody kodowania sygnałów i wiele innych aspektów.
• Dzięki standaryzacji, różni producenci mogli tworzyć sprzęt (karty sieciowe, koncentratory), który był ze sobą w pełni kompatybilny.
• To otworzyło drogę do masowej produkcji i ogromnego spadku cen urządzeń sieciowych.

• Oprócz domeny kolizyjnej, w sieciach istnieje również pojęcie **domeny rozgłoszeniowej (broadcast domain)**.
• Jest to obszar sieci, w którym ramka rozgłoszeniowa (broadcast frame), czyli ramka wysłana na specjalny adres MAC `FF:FF:FF:FF:FF:FF`, dotrze do wszystkich podłączonych urządzeń.
• We wczesnych sieciach Ethernet, zbudowanych z koncentratorów i repeaterów, a także w sieciach z przełącznikami (bez konfiguracji VLAN), cała sieć lokalna stanowiła jedną, wielką domenę rozgłoszeniową.
• Nadmierny ruch broadcastowy może znacząco obciążyć sieć, ponieważ każde urządzenie musi odebrać i przetworzyć taką ramkę.
• Granicę domeny rozgłoszeniowej stanowi dopiero router (urządzenie warstwy 3).

• Podsumowując, wczesne implementacje Ethernetu, mimo swojej rewolucyjności, posiadały istotne ograniczenia.
• Najważniejszym z nich był problem **skalowalności wydajności**.
• Ponieważ cała sieć stanowiła jedną domenę kolizyjną, dodawanie kolejnych użytkowników nieuchronnie prowadziło do wzrostu liczby kolizji i spadku przepustowości dla każdego z nich.
• Sieć stawała się "zapchana".
• Problemy z niezawodnością, zwłaszcza w topologii magistrali, oraz niska skalowalność geograficzna (ograniczenia długości kabli) sprawiały, że technologia ta nadawała się głównie do małych sieci lokalnych.
• Potrzebne były nowe rozwiązania, które pozwoliłyby przezwyciężyć te bariery.

• Ograniczenia współdzielonego Ethernetu stały się motorem napędowym dla dalszych innowacji.
• Inżynierowie zdali sobie sprawę, że kluczem do budowy większych i szybszych sieci jest **segmentacja**, czyli dzielenie dużej sieci na mniejsze, odizolowane od siebie domeny kolizyjne.
• Początkowo realizowano to za pomocą mostów (bridges), a następnie, w znacznie bardziej efektywny sposób, za pomocą przełączników (switchy).
• Przejście od pasywnego medium do inteligentnych urządzeń pośredniczących było kamieniem milowym, który pozwolił technologii Ethernet nie tylko przetrwać, ale i zdominować świat sieci lokalnych na kolejne dziesięciolecia.

• Choć od narodzin Ethernetu minęło już ponad 50 lat, jego podstawowe zasady wciąż są aktualne.
• Oczywiście, technologia przeszła niewyobrażalną ewolucję - od 10 Mb/s na kablu koncentrycznym do ponad 100 Gb/s na światłowodach.
• Topologia magistrali odeszła w zapomnienie na rzecz przełączanej topologii gwiazdy.
• Protokół CSMA/CD praktycznie nie jest już używany w nowoczesnych sieciach dzięki trybowi full-duplex.
• Mimo to, format ramki Ethernet, adresacja MAC i fundamentalne koncepcje pozostają z nami, stanowiąc podstawę niemal każdej sieci lokalnej na świecie i będąc kluczowym elementem dostępowym do globalnej sieci Internet.

Najważniejsze pojęcia z dzisiejszego wykładu:

• Ethernet narodził się w Xerox PARC w latach 70. jako sposób na połączenie lokalnych komputerów.
• CSMA/CD to protokół zarządzania dostępem do wspólnego medium, oparty na nasłuchiwaniu i wykrywaniu kolizji.
• Topologia fizyczna (np. magistrala, gwiazda) opisuje układ kabli, a logiczna (np. magistrala) opisuje przepływ danych.
• Wczesne sieci używały kabla koncentrycznego i topologii magistrali, co prowadziło do problemów z niezawodnością i wydajnością.
• Domena kolizyjna to obszar sieci, gdzie może dojść do zderzenia ramek. Huby i repeatery powiększają tę domenę.
• Elementy aktywne (hub, repeater) wymagają zasilania i przetwarzają sygnał, w przeciwieństwie do pasywnych (kable, złącza).
• Współczesne sieci Ethernet opierają się na skrętce, topologii gwiazdy i przełącznikach, co eliminuje problem kolizji.
• Dziękuję Państwu za uwagę. Na następnym wykładzie zajmiemy się szczegółowo urządzeniami warstwy 1 modelu ISO/OSI.