Komunikace a rozdělení
datových sítí

PAN – Personal Area Network (osobní síť)

PAN je nejmenší myslitelná síť. Představ si ji jako „bublinu“ kolem jedné osoby s poloměrem zhruba do 10 metrů. Do PAN patří například připojení telefonu k bezdrátovým sluchátkům přes Bluetooth, propojení notebooku s myší nebo klávesnicí, nebo sdílení dat mezi hodinkami a telefonem. Klíčovým rysem je, že PAN slouží výhradně jednomu uživateli a nijak se nepřekrývá s infrastrukturou větších sítí – funguje izolovaně, i bez přístupu k internetu. Typické technologie zahrnují Bluetooth (IEEE 802.15.1), ZigBee (IEEE 802.15.4), NFC a USB. Bluetooth například umožňuje přenosy dat až na vzdálenost cca 10–100 m v závislosti na třídě zařízení (Class 1–3) a verzi protokolu.

LAN – Local Area Network (místní síť)

LAN je typ sítě, který nejčastěji potkáváme v praxi. Zahrnuje propojení počítačů, tiskáren a dalších zařízení v rámci jedné budovy nebo areálu – například v domácnosti, kanceláři, škole nebo továrně. Klíčová vlastnost LAN je, že infrastruktura (kabely, přepínače, routery) patří majiteli sítě – není pronajímána od telefonní společnosti. Proto lze LAN libovolně konfigurovat a rozšiřovat bez povolení třetích stran. Typický dosah je do jednoho kilometru, přenosové rychlosti se dnes pohybují od 100 Mb/s (Fast Ethernet) přes 1 Gb/s (Gigabit Ethernet) až po 10, 25, 40 nebo 100 Gb/s ve specializovaných nasazeních.

Historicky se LAN stavěly na koaxiálním kabelu (Ethernet 10BASE5 – „tlustý Ethernet“, 10BASE2 – „tenký Ethernet“), dnes dominuje nestíněná kroucená dvoulinka (UTP, kategorie Cat5e, Cat6, Cat6A) nebo optické vlákno pro páteřní spoje. Bezdrátová varianta LAN se nazývá WLAN (Wireless LAN), nejčastěji ve formě Wi-Fi dle standardů IEEE 802.11.

Schéma typické LAN sítě — počítače, tiskárny a servery propojené přepínači v rámci jedné budovy

Přehled typů sítí PAN, LAN, MAN, WAN a jejich geografický rozsah

MAN – Metropolitan Area Network (metropolitní síť)

MAN překračuje hranice jedné budovy a spojuje lokality na úrovni města nebo metropolitní oblasti – dosah je typicky od 5 do 50 km. Klasickým příkladem je síť, která propojuje pobočky banky v rámci jednoho města, nebo optická páteřní síť poskytovatele internetu pokrývající celé město. MAN je zpravidla provozována buď samotnou organizací, nebo telekomunikačním operátorem jako pronajímaná služba. Technologie: FDDI (Fiber Distributed Data Interface), Metro Ethernet nebo SONET/SDH.

WAN – Wide Area Network (rozlehlá síť)

WAN spojuje sítě na úrovni zemí a kontinentů. Nejznámějším příkladem WAN je sám internet. Infrastruktura WAN je složena z páteřních optických tras (podmořské kabely, meziměstské trasy), satelitních spojů a routerů operátorů. Klíčový rozdíl oproti LAN/MAN spočívá v tom, že WAN spojení je zpravidla pronajímáno od telekomunikačního provozovatele a organizace nad ním nemá úplnou kontrolu. Technologie pro WAN: MPLS (Multiprotocol Label Switching), pronajatá vedení, DSL, kabelové modemy, mobilní sítě (LTE, 5G), satelitní spoje (Starlink).

Vizuální srovnání LAN a WAN — LAN je lokální infrastruktura, WAN propojuje vzdálené lokality přes pronajatá spojení

Příklad WAN — pobočky firmy v různých zemích propojené přes internet nebo pronajatá telekomunikační spojení

ISP – Internet Service Provider (poskytovatel internetu)

ISP je společnost nebo organizace, která svým zákazníkům prodává přístup k internetu. ISP provozuje vlastní infrastrukturu a připojuje ji k páteřní síti internetu. ISP na vrcholu hierarchie, kteří si navzájem volně vyměňují provoz, se nazývají Tier 1 ISP (např. AT&T, Lumen, NTT). Menší regionální ISP se k nim připojují za poplatek (tranzitní vztah). Vztahy mezi ISP jsou regulovány smlouvami o peeringu (vzájemná výměna provozu zdarma) nebo transitu (jeden platí druhému za přenos).

IoT – Internet of Things (internet věcí)

IoT označuje koncept, kdy do internetu jsou připojeny nejen počítače a smartphony, ale doslova jakékoli „věci“ – průmyslové senzory, domácí spotřebiče, termostaty, pouliční osvětlení, automobily, zdravotnické přístroje, inteligentní elektroměry. Každé zařízení má vlastní IP adresu, sbírá data a odesílá je do cloudu nebo reaguje na příkazy ze sítě. Odhaduje se, že do roku 2030 bude k internetu připojeno více než 25 miliard IoT zařízení.

IoT klade zvýšené nároky na síť: kapacita (obrovské množství zařízení), bezpečnost (zařízení jsou často slabě chráněna, bez pravidelných aktualizací), latenci (pro řízení v reálném čase) a protokoly navržené pro nízkou spotřebu energie: MQTT, CoAP, ZigBee, LoRaWAN, NB-IoT.

QoS – Quality of Service (kvalita služby)

QoS je sada mechanismů, která síťovým zařízením umožňuje upřednostňovat určité typy provozu před jinými. Bez QoS jsou všechny pakety zpracovávány stejně – tzv. „best effort“ (nejlepší možné úsilí). To je v pořádku pro stahování souborů, ale katastrofální pro videohovor nebo online hru, kde každé zpoždění či ztráta paketu je okamžitě znát.

QoS funguje tak, že pakety jsou označeny prioritou (pomocí pole DSCP – Differentiated Services Code Point v IP hlavičce, nebo 802.1p v Ethernetovém rámci) a routery je řadí do front. Provoz s vysokou prioritou (VoIP, videokonference) prochází frontami přednostně, provoz s nízkou prioritou (torrenty, zálohy) čeká.

MAC adresa – fyzická identita zařízení

MAC adresa (Media Access Control address) je hardwarová adresa síťového rozhraní. Je „vypálena“ do síťové karty výrobcem (proto se říká „burned-in address“ nebo BIA). Má délku 48 bitů a zapisuje se jako 6 dvojic hexadecimálních číslic oddělených dvojtečkou nebo pomlčkou, například 00:1A:2B:3C:4D:5E.

Prvních 24 bitů tvoří OUI (Organizationally Unique Identifier) – identifikátor výrobce přidělovaný organizací IEEE. Zbývajících 24 bitů je sériové číslo konkrétního zařízení, které výrobce přiřazuje sám. To zaručuje, že každá síťová karta má globálně jedinečnou MAC adresu (MAC spoofing umožňuje adresu programově změnit).

MAC adresy pracují na vrstvě 2 (linkové vrstvě) OSI modelu. Přepínače (switche) se rozhodují, na který port přeposlat Ethernetový rámec, právě na základě MAC adres – vedou si tabulku MAC adres a portů (CAM tabulka). MAC adresa je relevantní pouze v rámci jednoho segmentu sítě – jakmile data překročí router, zdrojová MAC adresa se mění.

IP adresa – logická identita v síti

IP adresa (Internet Protocol address) je logická adresa, přidělovaná síťovým administrátorem nebo automaticky protokolem DHCP. Na rozdíl od MAC adresy se IP adresa může měnit – pokaždé, když se připojíte k jiné síti, nebo když ISP přidělí novou adresu.

Existují dvě verze: IPv4 (32 bitů, zápis jako čtyři dekadická čísla 0–255 oddělená tečkami, např. 192.168.1.10) a IPv6 (128 bitů, zápis jako 8 skupin 4 hexadecimálních číslic, např. 2001:0db8:85a3::8a2e:0370:7334). IPv4 adresní prostor (cca 4,3 miliardy adres) je vyčerpán, proto přechod na IPv6 s prakticky neomezeným počtem adres (2¹²⁸).

IP adresy se dělí na veřejné (globálně routovatelné) a privátní (vyhrazené pro LAN, nejsou routovatelné v internetu – rozsahy: 10.0.0.0/8, 172.16.0.0/12, 192.168.0.0/16). NAT (Network Address Translation) umožňuje, že celá LAN s privátními adresami sdílí jedinou veřejnou IP adresu.

Unicast – jeden odesílatel, jeden příjemce

Unicast je nejběžnější a nejintuitivnější způsob komunikace. Data putují od jednoho konkrétního odesílatele k jednomu konkrétnímu příjemci. Odesílatel zná IP adresu příjemce, vytvoří paket s touto cílovou adresou a odešle ho. Veškerý běžný webový provoz (HTTP/HTTPS), e-mail, SSH, FTP – to vše je unicast. Každé spojení je individuální. Pokud server posílá stejný soubor deseti klientům, musí poslat deset oddělených toků dat.

Unicast: jeden odesílatel posílá data přesně jednomu příjemci. Ostatní uzly zprávu neobdrží.

Multicast – jeden odesílatel, skupina příjemců

Multicast řeší efektivitu situace, kdy jeden odesílatel chce doručit data skupině příjemců zároveň – ale ne všem v síti, jen těm, kteří o data stojí. Příjemci se do skupiny přihlásí pomocí protokolu IGMP (Internet Group Management Protocol) pro IPv4 nebo MLD pro IPv6. Server pak pošle data jen jednou a síťová infrastruktura je sama replikuje pro každou větev sítě, kde jsou přihlášení příjemci. Dramatická úspora šířky pásma.

Multicast: jedno vysílání serveru je doručeno pouze členům skupiny — efektivní, šetří šířku pásma.

IPv4 multicastové adresy jsou z rozsahu 224.0.0.0 – 239.255.255.255 (třída D). IPv6 používá prefix ff00::/8. Typické aplikace: živé vysílání videa (IPTV), videokonference, distribuce softwaru, OSPF a RIPv2 (směrovací protokoly využívají multicast pro sdílení tras).

Anycast – jeden odesílatel, nejbližší z mnoha příjemců

Anycast je specifický a méně intuitivní typ komunikace. Více fyzicky různých serverů sdílí jednu a tutéž IP adresu. Když klient odešle paket na tuto adresu, routery ho automaticky směrují k tomu serveru ze skupiny, který je nejbližší z hlediska síťové topologie (nejmenší počet skoků, nejnižší latence nebo nejlepší BGP metrika). Klient ani neví, ke kterému konkrétnímu serveru se připojil – z jeho pohledu je to transparentní.

Anycast: více serverů sdílí jednu IP adresu. Paket je doručen nejbližšímu — principem geografické blízkosti v síti.

Anycast se používá pro DNS root servery (všech 13 kořenových DNS serverů má anycastové adresy – proto jich fyzicky existuje stovky, ale logicky jich je 13), pro CDN sítě (Cloudflare, Akamai, Fastly) a pro DDoS ochranu. Výhodou je nízká latence a odolnost – pokud jeden server selže, BGP automaticky přestane inzerovat jeho trasu.

Broadcast – jeden odesílatel, všichni v síti

Broadcast posílá zprávu všem zařízením ve stejném síťovém segmentu (broadcast doméně). Každé zařízení v LAN musí broadcast přijmout a zpracovat, i když ho nezajímá. To je zároveň jeho nevýhoda: ve velké síti mohou broadcasty způsobovat zbytečnou zátěž. Proto jsou sítě děleny na menší broadcast domény pomocí routerů nebo VLAN. Router broadcast nepropouští – je hraničním prvkem broadcast domény.

Broadcast: zpráva je doručena všem zařízením v dané síťové doméně bez výjimky.

Broadcastová adresa v IPv4 síti: adresy kde jsou všechny bity hostitelské části nastaveny na 1. Například pro síť 192.168.1.0/24 je broadcastová adresa 192.168.1.255. Typické protokoly: ARP, DHCP Discover, NetBIOS. IPv6 broadcast nepoužívá – nahradil ho multicast (všechny uzly: ff02::1, všechny routery: ff02::2).

Sběrnice (Bus Topology)

Sběrnicová topologie je historicky nejstarší a nejjednodušší. Všechna zařízení jsou zapojena na jeden sdílený kabel – sběrnici. Každé zařízení naslouchá veškerému provozu na kabelu, ale akceptuje jen rámce adresované na svou MAC adresu. Typicky používaná v historickém Ethernetu: 10BASE5 („tlustý Ethernet“ – koaxiální kabel 50 Ω, průměr 10 mm) a 10BASE2 („tenký Ethernet“ – tenký koaxiál RG-58).

Sběrnice: všechna zařízení sdílejí jeden kabel. Každé naslouchá veškerému provozu a filtruje rámce dle MAC adresy.

Hlavní problém sběrnice: pokud dvě zařízení vysílají současně, dojde ke kolizi – signály se překryjí a data jsou poškozena. Proto sběrnice vyžaduje protokol CSMA/CD. Pokud je kabel přerušen nebo není zakončen terminátorem (rezistor 50 Ω), celý signál se odráží zpět a celá síť přestane fungovat. Dnes se sběrnicová topologie prakticky nepoužívá.

10BASE5 — tlustý Ethernet s koaxiálním kabelem. Zařízení se připojovala přes vampire tap bez přerušení kabelu.

Vampire Tap — speciální svorka, která propíchla izolaci i stínění koaxu a navázala elektrický kontakt s jádrem bez přerušení kabelu.

Terminátor — rezistor 50 Ω na konci koaxiálního kabelu. Pohltí signál a zabrání jeho odrazu zpět do sítě.

3Com 3c509 — historická síťová karta ISA pro 10BASE-T i koaxiální sběrnici (BNC konektor vlevo)

BNC T-konektor — umožňoval připojit zařízení bokem ke sběrnicovému koaxiálnímu kabelu metodou T

Kruh (Ring Topology)

V kruhové topologii jsou uzly zapojeny za sebou do uzavřeného kruhu. Data obíhají kruhem v jednom směru (nebo v obou – FDDI, Fiber Distributed Data Interface). Každý uzel funguje jako aktivní regenerátor signálu – přijme signál, regeneruje ho a pošle dál. Přístup k médiu řeší Token Ring protokol. Data při doručení obíhají celý kruh a vracejí se zpět k odesílateli jako potvrzení.

Kruh: data cirkulují dokola. Každý uzel přijme, regeneruje a přepošle signál. Chyby se detekují snadno.

Výhoda kruhu: deterministický přístup k médiu – každé zařízení dostane pravidelně šanci vysílat, žádné kolize. Pod velkou zátěží je kruh předvídatelný. Nevýhoda: pokud jakýkoli uzel nebo spoj selže, celá síť se zastaví. Řešení: kruh se dvěma vlákny v opačných směrech (FDDI) – při výpadku se kruh „překlopí“ a obejde poruchu.

Token Ring: speciální rámec (token) koluje po kruhu. Zařízení smí vysílat jen tehdy, když drží volný token.

Hvězda (Star Topology)

Hvězdicová topologie je dnes nejrozšířenější v LAN. V centru hvězdy stojí aktivní síťový prvek – hub (rozbočovač) nebo switch (přepínač). Každé zařízení je připojeno samostatným kabelem přímo do tohoto centrálního prvku. Toto je fyzická hvězda, ale logika se liší: hub vytváří logickou sběrnici (broadcastuje všem), zatímco switch vytváří pro každý pár zařízení virtuální point-to-point spojení (plný duplex, bez kolizí).

Hvězda: každé zařízení má vlastní spoj do centrálního přepínače. Výpadek jednoho uzlu neovlivní ostatní.

Velká výhoda hvězdy: izolace poruch – pokud jeden kabel nebo jedno zařízení selže, ostatní zařízení pokračují v komunikaci normálně. Správa a rozšiřování jsou jednoduché. Nevýhoda: centrální prvek je single point of failure – pokud switch selže, celá síť je mimo provoz. Řeší se redundancí (záložní switch, stackování).

Strom (Tree Topology)

Stromová topologie je rozšířením hvězdicové. Více hvězd je hierarchicky spojeno do stromové struktury. Na vrcholu stromu je kořenový switch (core), pod ním distribuční přepínače, a na nejnižší úrovni přístupové přepínače připojující koncová zařízení. Tato třívrstvá architektura (Core, Distribution, Access) je typická pro podnikové a kampusové sítě.

Strom: hvězdy jsou hierarchicky propojeny. Core switch → distribuční přepínače → přístupové přepínače → koncová zařízení.

Stromová topologie umožňuje snadnou škálovatelnost, centralizovanou správu a logické rozdělení sítě do segmentů nebo VLAN. Výpadek větve neovlivní ostatní větve, ale výpadek kořene ovlivní celou síť – proto se kořenový prvek redundantně zajišťuje (dual-core architektura se STP – Spanning Tree Protocol).

CSMA/CD – Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection

CSMA/CD je protokol používaný v klasickém Ethernetu se sdíleným médiem (sběrnice, hub). Název prozradí celý princip: Carrier Sense = zařízení před vysíláním poslechne, zda je médium volné. Multiple Access = více zařízení sdílí jedno médium. Collision Detection = detekce kolize za pochodu.

Animovaný průběh CSMA/CD: dvě zařízení naslouchají, obě detekují ticho, začnou vysílat → kolize → JAM signál → backoff → opakovaný pokus

CSMA/CD funguje pouze v poloduplexním režimu. Moderní sítě používají přepínače (switche) místo hubů a plně duplexní spoje – v takovém prostředí ke kolizím nedochází a CSMA/CD je zbytečný. Switchovaný Ethernet tak CSMA/CD prakticky eliminoval.

Opakovač (repeater) — zesilovač signálu na fyzické vrstvě. Pouze regeneruje elektrický signál, nepochopí obsah dat. Rozšiřuje délku sběrnicového segmentu.

CSMA/CA – Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance

CSMA/CA se používá v prostředích, kde detekce kolize není možná nebo praktická – typicky ve Wi-Fi (bezdrátové sítě IEEE 802.11). Proč nelze použít CSMA/CD? Protože u bezdrátových zařízení existuje problém „skryté stanice“ (hidden node problem): dvě zařízení mimo dosah sebe navzájem, ale obě v dosahu AP, neslyší kolizi mezi sebou. Navíc detekce kolize u bezdrátových sítí vyžaduje současné vysílání i příjem na stejné frekvenci, což je technicky náročné.

CSMA/CA proto kolizím předchází místo jejich detekce. Postup: 1) Naslouchej médium (Carrier Sense). 2) Pokud je volné, čekej ještě dobu IFS (Inter-Frame Space – DIFS pro data, SIFS pro ACK). 3) Zvol náhodnou dobu čekání (contention window) v rozsahu [0, CW-1] a odpočítávej jen když je médium volné. 4) Pokud médium zůstalo volné po celou dobu → vyšli. 5) Čekej na ACK potvrzení. Pokud ACK nepřijde, zdvoj okno CW a opakuj. Volitelně lze použít RTS/CTS (Request to Send / Clear to Send) pro rezervaci média – řeší hidden node problem.

Token Ring

Token Ring je protokol a topologie (fyzický kruh nebo logický kruh v hvězdicové fyzické topologii pomocí MSAU – Multi Station Access Unit), kde přístup k médiu řídí speciální rámec zvaný token (žeton). Token nepřetržitě obíhá po kruhu od uzlu k uzlu. Uzel, který chce vysílat, musí počkat, až k němu dorazí volný token, „zachytit“ ho (označit jako obsazený), připojit svá data a pustit do kruhu. Data obíhají dokola, dokud je znovu nepřevezme odesílatel, a pak uvolní token pro další uzel.

Token Ring: token koluje po kruhu. Kdo drží token, smí vysílat. Zaručuje spravedlivý a deterministický přístup všem uzlům.

Výhody Token Ringu: deterministický přístup – každé zařízení dostane pravidelný přístup bez ohledu na zátěž. Žádné kolize. Pod velkou zátěží si Token Ring vede lépe než CSMA/CD. Standard IEEE 802.5, rychlosti 4 nebo 16 Mb/s. Nevýhody: složitější implementace, výpadek jednoho uzlu ohrožuje celý kruh (zmírňuje MSAU bypassem vadného uzlu), nižší rychlosti, dražší zařízení. Dnes je prakticky mrtvý – nahrazen switchovaným Ethernetem.

Přímý kabel (Straight-through)

U přímého kabelu jsou vodiče zapojeny stejně na obou koncích – typicky oba konce jsou zapojeny podle standardu T568B (nebo oba podle T568A). Pin 1 na jedné straně je propojen s pinem 1 na druhé straně, pin 2 s pinem 2, atd. Přímý kabel se používá ke spojení zařízení různých typů, kde vysílací piny jednoho zařízení přirozeně odpovídají přijímacím pinům druhého zařízení – například počítač (DTE) připojen do přepínače (DCE).

Pořadí pinů T568B: 1=bílo-oranžový, 2=oranžový, 3=bílo-zelený, 4=modrý, 5=bílo-modrý, 6=zelený, 7=bílo-hnědý, 8=hnědý. Piny 1,2 jsou TX+/TX- (vysílání), piny 3,6 jsou RX+/RX- (příjem) u zařízení DTE (počítač). U DCE (switch, hub) je to naopak – proto se přímý kabel hodí.

Schéma zapojení přímého kabelu — oba konce jsou zapojeny identicky (T568B–T568B). Piny 1–8 jsou propojeny 1:1.

Křížený kabel (Crossover)

U kříženého kabelu jsou vodiče překříženy – vysílací piny na jednom konci jsou propojeny s přijímacími piny na druhém konci. Konkrétně: pin 1 (TX+) jednoho konce je zapojen do pinu 3 (RX+) druhého konce, pin 2 (TX-) do pinu 6 (RX-), a naopak. V praxi: jeden konec zapojen T568A, druhý T568B. Křížený kabel tak umožňuje přímé propojení dvou stejných typů zařízení.

Schéma zapojení kříženého kabelu — jeden konec T568A, druhý T568B. TX+ jednoho je propojen s RX+ druhého.

7 vrstev OSI modelu do hloubky

Průchod dat sítí – od odesílatele k příjemci (encapsulation a de-encapsulation)

Pochopení průchodu dat je klíčem k pochopení celého OSI modelu. Představ si, že chceš načíst webovou stránku. Tvůj prohlížeč vygeneruje HTTP request. Tento request putuje od vrstvy 7 dolů přes všechny vrstvy, na každé vrstvě dostane „obálku“ (hlavičku – header) s informacemi potřebnými pro danou vrstvu. Tomuto procesu říkáme encapsulation (zapouzdření).

Znázornění zapouzdření dat: na každé vrstvě jsou přidána záhlaví (headery). Na fyzické vrstvě jdou bity po kabelu.

Vizualizace PDU na různých vrstvách: Segment (transportní vrstva) → Paket (síťová vrstva) → Rámec (linková vrstva)

Animované zobrazení encapsulation procesu — jak se na každé vrstvě přidává hlavička

Na straně příjemce probíhá přesně opačný proces – de-encapsulation (rozbalení). Fyzická vrstva přijme bity → linková vrstva přečte MAC adresy, ověří CRC (pokud CRC nesedí, rámec je zahozen bez notifikace – o retransmisi se postará TCP) a předá paket síťové vrstvě → ta zkontroluje IP adresy a TTL a předá segment transportní vrstvě → ta zkontroluje porty, sekvenční čísla, odešle ACK, složí segmenty do původního toku dat a předá ho aplikační vrstvě → aplikace (prohlížeč) zobrazí stránku.

Kompletní schéma průchodu dat přes OSI model — encapsulation na straně odesílatele a de-encapsulation na straně příjemce

Srovnání ISO/OSI a TCP/IP modelu

TCP/IP model (také nazývaný Internet model nebo DoD model) vznikl prakticky souběžně s OSI, ale je to model, který se ve skutečném internetu skutečně implementuje. OSI model je referenční a didaktický – pomáhá pochopit princip vrstvené komunikace. TCP/IP je praktický – popisuje reálnou implementaci protokolů, na nichž funguje internet.

TCP/IP model má 4 vrstvy oproti 7 vrstvám OSI. Horní tři vrstvy OSI (aplikační, prezentační, relační) jsou v TCP/IP sloučeny do jedné aplikační vrstvy. Linková a fyzická vrstva OSI jsou v TCP/IP sloučeny do vrstvy přístupu k síti (Network Access / Link layer).

Přehledné srovnání ISO/OSI modelu (7 vrstev) a TCP/IP modelu (4 vrstvy) — mapování vrstev, protokolů a PDU

Detailní srovnání OSI a TCP/IP modelů s protokoly na každé vrstvě — HTTP, TCP, IP, Ethernet