Võrguseadmed¶

Kuidas kõik algas: kaabel kahe arvuti vahel¶

1969 — ARPANET. Neli arvutit, ühendatud telefoniliinide kaudu. Kõik töötas, aga tekkis küsimus: kuidas ühendada neid rohkem? Ja kuidas teha nii, et kõik ei peaks omavahel otse kaabliga ühendatud olema? Iga uus probleem sünnitas uue seadme — ja nii kasvaski välja terve perekond võrguseadmeid, mida me täna kasutame.

Võrgu kolm põhielementi¶

Iga võrk — olgu see kodune WiFi või Google'i andmekeskus — koosneb kolmest asjast. Need kolm komponenti on alati samad, olenemata sellest, kas räägime väikesest koduvõrgust või miljonite kasutajatega pilveplatvormist.

Lõppseadmed (end devices)¶

Lõppseadmed on need, mida sina kasutajana vahetult kasutad — arvuti, telefon, printer, server. Võrgu mõttes on need kohad, kus andmed tekivad või jõuavad kohale. Kui saadad sõbrale sõnumi, siis sinu telefon on üks lõppseade ja sõbra telefon teine. Kõik, mis nende vahel juhtub, on vahepealsete seadmete ja meediumi töö.

Tabel 0.3. Lõppseadmete tüübid

Võrgukaart (NIC — Network Interface Card)¶

Et arvuti saaks üldse võrguga ühenduda, vajab ta võrgukaarti (NIC). See on riistvara, mis teisendab arvuti andmed elektri- või valgussignaalideks ja saadab need kaabli (või WiFi) kaudu teele. Ilma võrgukaardita on arvuti nagu maja ilma ukseta — seest on kõik olemas, aga kellegagi suhelda ei saa.

Esimesed võrgukaardid olid eraldiseisvad laienduskaardid, mille pidid arvutisse ise paigaldama — neid müüdi eraldi karpides ja paigaldamine nõudis kruvikeerajat. Tänapäeva arvutites on NIC emaplaadile integreeritud — sa ei näe eraldi kaarti, aga see on seal olemas.

Igal võrgukaardil on MAC-aadress — tehases omistatud unikaalne 48-bitine aadress, mille järgi kommutaator seadme ära tunneb. Seda võib mõelda kui seadme "isikukoodi" võrgus. MAC-aadressidest loe lähemalt Peatükk 4: Andmesidekiht.

Vahepealsed seadmed — arengulugu¶

Vahepealsed seadmed tagavad andmete liikumise lõppseadmete vahel. Huvitav on see, et iga seade tekkis konkreetse probleemi lahendamiseks — keegi ei istunud maha ja öelnud "teeme kõik seadmed korraga valmis". Pigem oli nii, et üks probleem lahendati, aga lahendus tekitas uue probleemi, ja nii edasi. Vaatame seda lugu kronoloogilises järjekorras.

1960ndad–1970ndad: Modem — esimene "tõlk"¶

ARPANET-i arvutid pidid omavahel suhtlema, aga ainuke olemasolev infrastruktuur oli telefonivõrk. Probleem: arvutid räägivad digitaalset keelt (nullid ja ühed), telefoniliinid aga kannavad analoogsignaali (helilaineid). Keegi pidi tõlkima.

Selleks loodigi modem (modulator-demodulator) — seade, mis teisendab digitaalsed andmed analoogsignaaliks saatmiseks ja vastuvõtmisel tagasi digitaalseks. Kui oled piisavalt vana (või oled filme vaadanud), siis mäletad ehk seda iseloomulikku kriiksuvat heli, mida dial-up modem tegi ühenduse loomisel — see oligi kahe modemi "käepigistus".

Esimesed modemid (AT&T, 1958) suutsid edastada vaid 300 bitti sekundis. 1990ndate dial-up modemid jõudsid 56 kbps-ni — ühe MP3 (4 MB) allalaadimine võttis sellega ~10 minutit. Täna pakuvad fiibermodemid (ONT) kiirust kuni 10 Gbps — see on üle 170 000 korra kiirem.

1970ndad: Repeater — signaali võimendaja¶

Järgmine mure oli füüsika. Elektrisignaal nõrgeneb kaablis — mida pikem kaabel, seda nõrgem signaal. Umbes 500 meetri pärast on signaal nii nõrk, et vastuvõtja ei saa enam aru, mis saadeti.

Lahendus oli lihtne: repeater (kordisti). See on seade, mis võtab nõrgenenud signaali, võimendab selle ja saadab edasi. Repeater ei "mõtle" ega suuna — ta lihtsalt kordab. Nagu telefonimängus, kus iga inimene ütleb sõnumi selgemini edasi.

1980ndad: Hub — mitu arvutit ühte kokku¶

Võrgud kasvasid ja tekkis uus küsimus: kuidas ühendada 10, 20 või 50 arvutit ühte võrku? Varasem lahendus — koaksiaalkaabliga siinitopoloogia — oli habras nagu jõulutulede vanik: üks katkestus kusagil pani kogu võrgu maha.

Nii sündis hub — sisuliselt multiport repeater. Iga arvuti sai oma kaabli ja oma pordi hub'i peal. See oli samm edasi, aga hub'il oli üks suur puudus: ta on rumal. Kui üks arvuti saadab andmeid, edastab hub need kõigile teistele portidele. See on nagu klassiruumis karjumine — kõik kuulevad, isegi need, kellele see pole mõeldud.

Miks see probleem on? Kujuta ette, et hub on nagu ühe toaga kontor, kus kõik peavad kõva häälega rääkima. Kui üks inimene räägib, peavad kõik teised ootama — muidu keegi ei kuule midagi. Mida rohkem inimesi toas, seda rohkem tekib olukordi, kus kaks inimest üritavad korraga rääkida. Seda nimetatakse kollisiooniks. Pärast kollisiooni peavad mõlemad ootama juhusliku aja ja uuesti proovima. Lisaks jagati kogu 10 Mbit/s ribalaiust KÕIGI seadmete vahel — viiekümne arvutiga jäi igale seadmele alla 200 kbit/s, millest ei piisanud isegi lihtsa veebilehe avamiseks.

1980ndad: Bridge — esimene "nutikas" seade¶

Hub'iga ühendatud 50 arvutit tähendas pidevaid kollisioone ja aeglast võrku. Keegi pidi nutikas olema.

Bridge oli esimene seade, mis hakkas mõtlema. Ta jagas suure võrgu kaheks segmendiks ja oli esimene, kes vaatas MAC-aadresse — õppis, milline arvuti on kummal pool. Liiklus lasti läbi ainult siis, kui sihtkoht oli teisel poolel. Kui kaks arvutit samal poolel omavahel rääkisid, ei koormatud teist poolt üldse.

Bridge'il oli tavaliselt ainult 2–4 porti. See aitas, aga tekitas loogilise küsimuse — mis oleks, kui teeksime bridge'i paljude portidega?

1980ndad: Ruuter — eri võrkude ühendaja¶

Samal ajal kasvas ARPANET kiiresti — ülikoolid, teadusasutused, sõjavägi. Iga asutusel oli oma sisemine võrk, aga need kasutasid erinevaid tehnoloogiaid. Kuidas panna need eri võrgud omavahel suhtlema?

Ruuter lahendas selle probleemi. Erinevalt hub'ist ja bridge'ist, mis töötavad ühe võrgu sees, ühendab ruuter erinevaid võrke ja suunab andmeid IP-aadresside järgi. Kui kommutaator on nagu postiljon, kes jagab kirju ühes majas, siis ruuter on nagu maanteeviidasüsteem: "Tallinn vasakule, Tartu paremale".

Cisco ajalugu on siinkohal oluline. 1984. aastal lõid Stanfordi ülikooli töötajad Leonard Bosack ja Sandy Lerner firma nimega cisco Systems (jah, väikese tähega!). Nende esimene toode oli multiprotokolliline ruuter, mis suutis ühendada eri tüüpi võrke. See lahendas nii suure probleemi, et Ciscost sai kiiresti võrgumaailma domineeriv jõud — ja on seda siiani.

Aga Cisco pole kaugeltki ainuke tegija:

Tabel 0.4. Ruuterite tootjad

Lihtsustatult öeldes — ruuter on seade, mis istub kahe võrgu vahel ja otsustab, kuhu iga andmepakett läheb:

Ruuterist lähemalt Peatükk 6: Võrgukiht ja Peatükk 12: Marsruutimine.

1990ndad: Kommutaator — revolutsioon¶

Mäletad bridge'i — nutikat seadet, mis vaatas MAC-aadresse, aga millel oli ainult 2–4 porti? Mis oleks, kui teeksime sama asja, aga 24 või 48 pordiga?

Täpselt nii sündiski kommutaator (switch) — sisuliselt multiport bridge. Iga port on eraldi ja seade peab MAC-aadresside tabelit — õpib, kes on kus, ja saadab andmed ainult õigesse porti. Mitte kellelegi teisele.

Hub'iga jagasid kõik arvutid ühte 10 Mbit/s torujuhet. Kommutaatoriga sai iga port täiskiiruse, kollisioone polnud enam ja võrgud muutusid kordades kiiremaks. Hub kadus turult kiiresti.

Üks varajasi kommutaatorite tootjaid oli Kalpana (1990. aastate algus) — tollal olid hinnad kõrged, sageli üle 10 000 dollari. Cisco ostis Kalpana 1994. aastal ja sellest sündis legendaarne Catalyst seeria, mis on tänapäevani üks levinumaid kommutaatorite brände maailmas.

Tabel 0.5. Kommutaatorite tootjad

Hub vs kommutaator:

Tabel 0.6. Hub vs kommutaator

Kommutaatorist lähemalt Peatükk 4: Andmesidekiht ja Praktikumis 7 näed MAC-tabelit oma silmaga.

1988+: Tulemüür — turvamees uksel¶

Niipea, kui võrgud hakkasid omavahel ühenduma ja internet kasvas, tekkis paratamatu küsimus: kuidas hoida soovimatud külalised eemal? Kui sinu võrk on ühendatud maailmaga, siis on maailm ühendatud ka sinuga — koos kõige hea ja halvaga.

Tulemüür (firewall) on nagu turvamees maja uksel — kontrollib, kes sisse ja välja pääseb. Ta vaatab iga andmepaketi päist ja otsustab reeglite järgi, kas see liiklus on lubatud või mitte. Esimene kommertsiaalne tulemüür oli DEC SEAL (1992), aga tänaseks on tulemüürid muutunud uskumatult keerukateks — nad suudavad analüüsida rakenduste sisu, tuvastada pahavara ja isegi masinõppega kahtlast käitumist märgata.

Tänapäeva suurimad tegijad on Palo Alto Networks, Fortinet (FortiGate), Check Point ja Cisco (ASA/Firepower). Tulemüüre on nii riistvara kujul (eraldiseisev seade serveriruumis) kui ka tarkvarana (Windows Firewall, iptables Linuxis). Sinu koduruuteris on samuti sisseehitatud tulemüür — lihtsam versioon, aga siiski.

1999+: WiFi pääsupunkt — juhtmed ära!¶

Sülearvutid muutusid populaarseks, telefonid said nutikaks — ja inimesed ei tahtnud enam kaabliga laua taga istuda. Aga kuidas ühendada seadmeid võrku ilma füüsilise kaablita?

Juhtmevaba pääsupunkt (Wireless Access Point / WAP) oli vastus. Sisuliselt on see nagu "juhtmevaba kommutaator" — pääsupunkt ise on kaabliga ühendatud võrguinfrastruktuuri külge, aga lõppseadmed ühenduvad sellega raadiolainete teel.

WiFi standard IEEE 802.11 ilmus juba 1997. aastal, aga esimesed praktilised tooted jõudsid turule 1999 — Apple AirPort oli üks esimesi kodukasutajale mõeldud WiFi seadmeid ja see muutis mängu täielikult. Täna on suurimad tootjad Ubiquiti (UniFi seeria — eriti populaarne väikeettevõtetes ja kodudes), Cisco (Meraki), Aruba (HPE), Ruckus ja TP-Link.

Lähemalt Peatükk 3: Juhtmevabad võrgud.

Kodune ruuter — "kõik ühes"¶

Kui vaatad oma kodus seda valget kasti, mille Telia või Elisa paigaldas, siis sa tegelikult vaatad mitut seadet ühes korpuses. See väike kast teeb samaaegselt mitme eraldi seadme tööd:

Tabel 0.7. Koduse ruuteri funktsioonid vs eraldi seadmed

Kooli laboris kasutame neid eraldi seadmetena — nii saad paremini aru, mida iga osa tegelikult teeb. Kodus on mugav, et kõik on ühes kastis, aga õppimiseks on kasulikum näha iga seadet eraldi.

Seadmete ajajoon¶

Oleme nüüd läbi käinud terve rea võrguseadmeid — modemist WiFi pääsupunktini. Iga seade sündis eelmise puuduste tõttu ja iga uus lahendus viis võrgud sammu edasi. Allolev ajajoon näitab, kuidas see areng 40 aasta jooksul välja nägi:

Võrgumeedium (network media)¶

Meedium on füüsiline kanal, mida mööda andmed liiguvad. Olenemata sellest, kui nutikad su seadmed on — ilma meediumita nad suhelda ei saa. Kolm põhitüüpi:

Vaskkaabel (UTP — Unshielded Twisted Pair)¶

Kõige levinum kaabel kohtvõrkudes. Sees on neli paari vaskjuhtmeid, mis on keerdesse aetud — see pole moeasi, vaid füüsika: keerd vähendab elektromagneetilisi häireid. Mida tihedam keerd, seda parem kaitse. Kaabli otsas on RJ45 pistik — see on see läbipaistev plastikust konnektoriga otsik, mida sa oled kindlasti näinud iga arvuti taga või koduruuteri küljes.

Tabel 0.8. UTP kaablikategooriad

Kaablitest lähemalt Peatükk 2: Füüsiline kiht ja Praktikumis 6 ehitad ise Ethernet-kaabli!

Fiiberkiud (fiber optic)¶

Andmed liiguvad valgusimpulssidena läbi õhukese klaasjuhtme. Fiiberkiud on kiirem, ulatub kaugemale ja on häiretele immuunne — aga selle paigaldamine nõuab eriseadmeid ja oskusi, mis teeb selle kallimaks.

Kasutus: ISP-de tuumvõrk, andmekeskused, merepõhjakaablid. Tootjad: Corning (maailma suurim fiiberkiu tootja — jah, see sama Corning, kes teeb Gorilla Glass'i su telefoni ekraanile!), Prysmian, OFS.

Juhtmevaba (WiFi, Bluetooth)¶

Andmed liiguvad raadiolainetel. Mugav — ei vaja kaablit — aga aeglasem ja häiretele tundlikum kui kaabel. Sein, mikrolaineahi ja isegi akvaarium võivad WiFi signaali nõrgendada. Lähemalt Peatükk 3: Juhtmevabad võrgud.

Meediumite võrdlus¶

Tabel 0.9. Võrgumeediumite võrdlus

Struktureeritud kaabeldus¶

Päris hoones ei liigu kaablid laest läbi nagu spagetivõrgustik — kasutatakse struktureeritud kaabeldust. See tähendab, et kaablid on korralikult seinade sees, ühendatud seinapesade ja patchpaneelidega serverruumis.

Struktureeritud kaabeldus tähendab, et kaablid ei jookse suvaliselt laest läbi, vaid järgivad kindlat süsteemi. Teekond arvutist kommutaatorini näeb välja selline: arvutist läheb lühike patchkaabel seinapesasse, sealt jookseb kaabel seina sees serverruumini patchpaneelile ja sealt läheb jälle lühike patchkaabel kommutaatorisse. See tähendab, et kui midagi katki läheb, saad kiiresti tuvastada, kus probleem on — ja seinas olevat kaablit ei pea kunagi puutuma.

Võrguhierarhia¶

Väikeses kontoris piisab ühest kommutaatorist ja ruuterist. Aga mis juhtub, kui sul on 500 või 5000 kasutajat? Siis läheb vaja kihtidesse jagamist — iga kiht tegeleb oma ülesandega:

Tabel 0.10. Kolmekihiline võrguhierarhia

Märkus: väikestes võrkudes võib sama seade täita mitme kihi rolli (nt „koduruuter" + L2 switch + WiFi AP ühes kastis). Suurtes võrkudes eristatakse kihid skaleerimise ja halduse lihtsustamiseks.

Kokkuvõte¶

Iga võrguseade tekkis konkreetse probleemi lahendamiseks: modem (1958) ühendas arvuti telefoniliiniga, repeater pikendas signaali ulatust, hub (1980ndad) ühendas mitu arvutit aga oli rumal, bridge õppis MAC-aadresse, ruuter (1984, Cisco) ühendas eri võrgud, kommutaator (1990, Kalpana) tegi hub'i nutikaks, tulemüür (1992) lisas turvalisuse ja WiFi AP (1999) kaotas kaablid. Seadmeid toodavad paljud firmad — Cisco on turuliidr, aga Juniper, Huawei, MikroTik (Läti!), HP/Aruba, Ubiquiti, Fortinet ja teised on samuti olulised tegijad.

Enesekontroll¶