====== Počítačové sítě, ISO/OSI model, vlastnosti fyzických vrstev, topologie, řízení přístupu k médiu, kódování, spolehlivost datových přenosů, protokoly rodiny TCP/IP. ======

[[https://fel.cvut.cz/cz/education/bk/predmety/46/66/p4666906.html|B4B38PSIA]]

  * **ISO/OSI model** – funkce vrstev a komunikace mezi nimi, PDU, SDU, multiplexování, splitting, segmentace. Metody zpracování chyb při datových přenosech, dopředná chybová korekce, ARQ metody, jejich vlastnosti a vhodné aplikační nasazení, CRC a jeho vlastnosti.
  * **Protokoly TCP/IP** – IPv4, IPv6, ICMP, ARP, NDP, TCP, UDP, DHCP, systém DNS, princip směrování v IP sítích.
  * **Síťové technologie** – Ethernet a WiFi, přístupové metody, adresace, technologie VLAN, funkční rozdíly rozbočovač vs. přepínač.

====== ISO/OSI model ======

Model ISO/OSI je teoretický model, který rozděluje komunikaci v počítačových sítích do sedmi vrstev. Každá vrstva řeší určitou skupinu úloh a komunikuje pouze se sousedními vrstvami. Cílem modelu je umožnit snadné propojování distribuovaných systémů – například emailový klient nemusí vědět, zda komunikace probíhá přes Wi-Fi nebo kabel.

Data vytvořená v aplikační vrstvě jsou postupně zapouzdřována (obalována) hlavičkami nižších vrstev. Zařízení v síti vždy zpracovávají pouze hlavičku odpovídající jejich vrstvě – např. router rozhoduje podle IP adresy bez ohledu na to, zda jde o TCP nebo UDP.

  * **7. Aplikační vrstva** – zajišťuje služby přímo pro koncového uživatele (např. HTTP, FTP, SMTP)
  * **6. Prezentační vrstva** – kódování, šifrování, komprese dat
  * **5. Relační vrstva** – správa relací mezi aplikacemi (navázání, udržování, ukončení spojení)
  * **4. Transportní vrstva** – spolehlivý přenos dat mezi koncovými zařízeními (např. TCP, UDP)
  * **3. Síťová vrstva** – směrování paketů mezi sítěmi (např. IP)
  * **2. Spojová vrstva** – přenos rámců mezi dvěma přímo spojenými uzly (např. MAC adresa, Ethernet)
  * **1. Fyzická vrstva** – fyzický přenos bitů po médiu (např. elektrické signály)

**Kritéria návrhu vrstev ISO/OSI modelu:**
  * Činnosti na stejném stupni abstrakce mají být ve stejné vrstvě.
  * Minimalizace datových toků mezi vrstvami.
  * Snaha o aplikovatelnost na významné existující standardy (např. X.25).

{{:statnice:bakalar:pasted:20250603-172610.png}}

==== 1. Fyzická vrstva ====

Fyzická vrstva je nejnižší vrstva ISO/OSI modelu. Zajišťuje samotný přenos bitů (symbolů) po fyzickém médiu – vodiči, optickém vlákně nebo rádiovými vlnami. Neřeší význam přenášených dat, pouze jak se budou signály fyzicky šířit.
  * Poskytuje služby typu: odešli bit, přijmi bit
  * Nijak neinterpretuje to, co přenáší.

Zabývá se:
  * **kódováním a modulací** – jak se binární data převádějí na signály (např. napěťové úrovně)
  * **časováním a synchronizací** – aby příjemce věděl, kdy číst data
  * **elektrickými a mechanickými parametry** – napětí, konektory, typy kabelů
  * **řídicími signály** – např. detekce připojení, řízení toku

=== Typy přenosu ===
  * **Paralelní přenos** – více bitů současně (každý vodič jeden bit)
  * **Sériový přenos** – bity přicházejí po jednom (běžnější u sítí)
  * **Synchronní přenos** – odesílatel a příjemce synchronizováni hodinovým signálem
  * **Asynchronní přenos** – data jsou oddělená start/stop bity, přenos není časově sladěný
  * **Arytmický přenos** – přenos bez pevné časové struktury, používá se např. s autonegociací

=== Přenosová pásma ===
  * **Základní pásmo (baseband)** – data se přenáší přímo jako 0/1 (např. Ethernet)
  * **Přeložené pásmo (broadband)** – data se modulují na vyšší frekvence (např. Wi-Fi)

=== Příklady standardů fyzické vrstvy ===
  * **RS-232, RS-485** – sériová rozhraní, často v průmyslovém prostředí
  * **IEEE 802.3 (Ethernet)** – fyzická vrstva pro kabelové sítě
  * **IEEE 802.11 (Wi-Fi)** – bezdrátový přenos signálu

==== 2. Spojová vrstva (Data Link) ====

Spojová vrstva zajišťuje přenos **rámců** (frames) mezi dvěma přímo propojenými uzly – v dosahu jednoho fyzického spoje. Nepřenáší data přes více uzlů, ale pouze lokálně, např. v rámci jednoho segmentu sítě (např. mezi dvěma zařízeními připojenými ke stejnému přepínači nebo AP). Využívá různé technologie fyzické vrstvy, může být kabelová i bezdrátová.

Může pracovat:
  * **spolehlivě** či **nespolehlivě** – s detekcí/nápravou chyb nebo bez
  * **spojovaně** či **nespojovaně** – s navazováním spojení nebo bez

**Hlavní zodpovědnosti spojové vrstvy:**
  * **Synchronizace rámců** – rozpoznání začátku a konce rámce, správné zpracování celé struktury rámce
  * **Media Access Control (MAC)** – řízení přístupu ke sdílenému médiu a řešení kolizí  
    - CSMA/CD – detekce kolize (Ethernet)  
    - CSMA/CA – prevence kolize (Wi-Fi)  
    - Token passing – řízený přístup
  * **Adresace** – fyzické MAC adresy (48bitové), případně rozšířené o VLAN tagy
  * **Spolehlivost přenosu** – detekce chyb (např. CRC-32, FCS), lokální opravy chyb (ARQ/FEC); může fungovat i jako „best-effort“
  * **Řízení toku** – např. pomocí PAUSE rámců nebo potvrzování (ACK/NACK, HDLC)
  * **Správa spojení (link management)** – zřízení/ukončení spojení, asociace v bezdrátových sítích

==== 3. Síťová vrstva (Network) ====

Síťová vrstva přenáší **pakety** od zdroje k cíli, i pokud jsou na různých sítích a není mezi nimi přímé spojení. Musí tedy najít vhodnou cestu v síti – typicky přes více mezilehlých zařízení (routery). Na rozdíl od spojové vrstvy už zohledňuje topologii celé sítě.

Je to poslední vrstva, kterou **musí** implementovat přenosová infrastruktura – bez ní není možné směrovat mezi sítěmi. Výjimkou mohou být velmi jednoduché nebo uzavřené systémy (např. některé průmyslové aplikace).

Nejběžnějším síťovým protokolem je **IP** (Internet Protocol), včetně jeho verzí IPv4 a IPv6.

**Hlavní zodpovědnosti síťové vrstvy:**
  * **Logická adresace** – přiřazení jedinečné IP adresy každému zařízení v síti
  * **Směrování (routing)** – hledání nejlepší cesty k cílovému uzlu:
    - **neadaptivní (statické)** – trasy se nemění podle zátěže; vhodné pro jednoduché topologie
    - **adaptivní (dynamické)** – trasy se přizpůsobují aktuální síťové situaci (např. pomocí OSPF, BGP)
    - **izolované (distance-vector)** – router zná jen informace od sousedů (pomalejší reakce)
    - **distribuované (link-state)** – routery sdílejí kompletní informace o topologii (rychlejší a přesnější)
  * **Fragmentace a defragmentace** – rozdělení velkého paketu, pokud přesahuje MTU, a následné složení na cíli
  * **Kontrolní a diagnostické zprávy** – např. ICMP zprávy (ping, Time-Exceeded, Destination-Unreachable)
  * **Značení QoS (Quality of Service)** – pomocí DSCP/ECN bitů je možné rozlišit důležitost a prioritu provozu

==== 4. Transportní vrstva (Transport) ====

Transportní vrstva slouží jako prostředník mezi požadavky aplikačních vrstev a schopnostmi sítě. Jejím úkolem je **přizpůsobit chování přenosu konkrétním potřebám aplikací**, protože nižší vrstvy často nemůžeme měnit – bývají sdílené nebo pod správou jiné organizace.

Např. přenos souboru vyžaduje vysokou spolehlivost, zatímco videohovor raději upřednostní nízkou latenci.

**Transportní protokoly běží pouze v koncových uzlech** (klienti, servery). Samotná síť (např. routery) je nevyužívá – poskytují aplikačně specifické funkce.

**Zodpovědnosti transportní vrstvy:**
  * **Zvýšení spolehlivosti** – číslování segmentů, potvrzování (ACK), opětovné vysílání (ARQ)
  * **Virtuální spojení** – řízení spojení mezi dvěma aplikacemi (navázání, udržování, ukončení)
  * **Segmentace a sestavení (re-assembly)** – rozdělení velkých zpráv na části a opětovné složení
  * **Řízení toku a zahlcení** – zabránění přetížení příjemce nebo sítě
  * **Multiplexing portů** – více aplikací na jednom zařízení používá různé porty
  * **Volitelně QoS, šifrování, prioritizace**

**Typické protokoly:**
  * **TCP (Transmission Control Protocol)**: spojovaný, spolehlivý, řízení zahlcení, ARQ, vhodný pro web, e-mail, přenosy souborů
  * **UDP (User Datagram Protocol)**: nespojovaný, best-effort, preferován, když je důležitá latence (např. VoIP, DNS)
  * **SCTP, QUIC**: modernější alternativy, podpora vícenásobných toků, lepší latence (QUIC = TCP+TLS+HTTP/2 dohromady)

==== 5. Relační vrstva (Session) ====

Relační vrstva (Session Layer) zajišťuje **sestavení, správu a ukončení relací** mezi dvěma aplikačními procesy. Typicky jde o delší komunikaci, která může být organizovaná jako dialog nebo konverzace.

**Možné funkce relační vrstvy:**
  * **Synchronizační body (check-pointing)** – pro možnost obnovení po chybě bez nutnosti začít znovu
  * **Koordinace více datových toků** – např. současné přehrávání audio a video streamu
  * **Řízení dialogu** – určení, kdo kdy „mluví“, half-duplex/full-duplex komunikace
  * **Šifrování a komprese** – pokud nejsou řešeny jinde (např. TLS)
  * **Podpora transakčního zpracování dat** – např. v databázových systémech

==== 6. Prezentační vrstva (Presentation) ====

Prezentační vrstva se stará o to, **jak data vypadají** – tedy o jejich formát, strukturu a kódování. Nižší vrstvy zajišťují, aby byly bity doručeny přesně tak, jak byly odeslány. To ale nestačí – stejná posloupnost bitů může mít na různých zařízeních různý význam (např. kvůli jiné endianitě nebo znakovému kódování).

Prezentační vrstva proto provádí potřebné **konverze a úpravy**, aby byla data pochopitelná pro příjemce.

**Možné využití:**
  * Převod **endianity** – např. mezi little-endian a big-endian reprezentací čísel
  * Převod **znakového kódování** – např. UTF-8 ⇄ UTF-16
  * Definice a zpracování **datových formátů** – např. ASN.1, JSON, XML, Protobuf
  * Úpravy formátu struktur a polí, které se přenášejí mezi různými systémy

==== 7. Aplikační vrstva (Application) ====

Aplikační vrstva poskytuje **síťové služby přímo aplikacím**. Je nejbližší uživateli – sem patří protokoly, které vývojáři nebo uživatelé skutečně volají (např. HTTP, FTP, SMTP). Nedefinuje samotné aplikace, ale pouze jejich síťové rozhraní.

**Historie a význam:** Původně se předpokládalo, že aplikační vrstva bude přímo obsahovat aplikace, ukázalo se, že aplikací je příliš mnoho a není smysluplné všechny standardizovat.
  * Výsledkem je, že aplikační vrstva standardizuje pouze „jádra“ aplikací – např. přenos e-mailu, přístup k distribuovaným objektům, DNS apod., samotné uživatelské rozhraní aplikací leží **nad aplikační vrstvou**.

**Funkce aplikační vrstvy:**
  * Poskytuje přístup ke konkrétním síťovým službám (HTTP, FTP, DNS, SMTP, MQTT...)
  * Definuje **příkazy, odpovědi, formát zpráv**
  * Zajišťuje **autentizaci a autorizaci**

==== PDU × SDU a komunikace mezi vrstvami ====

Pro komunikaci mezi jednotlivými vrstvami modelu ISO/OSI je důležité pochopit, jak si předávají data a jak je zpracovávají.
  * **SDU (Service Data Unit)** – data, která vrstva N **převezme** od vrstvy N + 1. Neobsahuje žádné hlavičky nebo metadata nižších vrstev. Vrstva s SDU nijak nemanipuluje – zasazuje ji jako uživatelský payload.
  * **PDU (Protocol Data Unit)** – datová jednotka vytvořená vrstvou N. Obsahuje **SDU jako payload**, ale přidává k němu vlastní hlavičku a případně další řídicí informace.
  * **PCI (Protocol Control Information)** – řídicí informace v hlavičce PDU, např. adresace, typ zprávy apod.
  * **User data** – uživatelská část PDU, odpovídající SDU
**Vztah:** Vrstva N vytvoří PDU tak, že obalí SDU (data z vrstvy N+1) vlastní hlavičkou → PDU = PCI + SDU
  * **SAP (Service Access Point)** – rozhraní mezi dvěma sousedními vrstvami:
    * *horní SAP* vrstvy N – vstup, kterým vrstva N poskytuje službu vrstvě N + 1
    * *dolní SAP* vrstvy N – výstup, kterým vrstva N využívá službu vrstvy N − 1

Další pojmy:
  * **Entity (N)** – prvek vrstvy N, který realizuje část jejích funkcí
  * **Peer Entities** – entity téže vrstvy, ale na různých uzlech (např. klient/server)
  * **Service (N)** – služba poskytovaná vrstvou N vrstvě N + 1

==== Multiplexing, Splitting, Segmenting ====

Různé vrstvy mohou přenášet data různě složitým způsobem – často dochází k mapování jednoho spojení nebo datové jednotky na více přenosů (nebo naopak).
  * **Multiplexing / Demultiplexing**: Jedno spojení vrstvy N − 1 nese více spojení vrstvy N  
    * Příklad: více TCP spojení běžících paralelně přes jednu IP adresu (identifikováno porty)

  * **Splitting / Recombining**: Jedno spojení vrstvy N je rozděleno mezi více spojení vrstvy N − 1  
    * Příklad: link aggregation (např. více fyzických linek sdružených do jednoho logického spojení)

  * **Segmenting / Reassembling**: Velká SDU je rozdělena na více PDU, které se přenesou samostatně a následně opět složí  
    * Příklady: IP fragmentace, segmentace v TCP

==== Zpracování chyb při přenosech ====

Při přenosu dat může docházet k chybám – buď je odhalíme a požádáme o opakování (ARQ), nebo se je pokusíme rovnou opravit pomocí redundantních dat (FEC).

=== ARQ (Automatic Repeat reQuest) ===

Metody pro zajištění spolehlivosti pomocí potvrzování (ACK/NACK) a opakovaného přenosu:

=== ARQ (Automatic Repeat reQuest) ===

**Stop-and-Wait ARQ**
  * Odesílatel pošle **jedinou** PDU a **zastaví se**, dokud nepřijde ACK.
  * Časovač hlídá timeout; pokud ACK nepřijde, rámec se vyšle znovu.
  * V *potrubí* („pipeline“) je vždy jen 1 rámec → **propustnost**
    * $\eta = \frac{T(frame)}{T_{\text{frame}} + 2 \cdot RTT}$; kde RTT je Round Trip Time, na dlouhých linkách klesá k nule.
  * *Výhody:* extrémně jednoduchá implementace, minimální vyrovnávací paměti.
  * *Nevýhody:* malé využití linky, hodí se jen tam, kde je RTT malé a/nebo rámce krátké (jednoduché sériové linky, staré half-duplex rádiové modemy).

**Go-back-N ARQ**
  * Odesílatel udržuje **okno** velikosti *N* – může rozeslat až *N* rámců bez ACK.
  * Přijímač potvrzuje **kumulativně** (ACK = „vše do čísla k jsem dostal v pořádku“).
  * Pokud se ztratí rámec *i*, příjemce zahodí i všechny následující a pošle ACK k-1; odesílatel „skočí zpět“ a zopakuje **vše od i dál**.
  * *Výhody:* výrazně lepší propustnost než Stop-and-Wait, vyžaduje jen jeden ACK na okno.
  * *Nevýhody:* zbytečně opakuje i rámce, které dorazily správně; při delším RTT a vyšší chybovosti rychle klesá efektivita.

**Selective Repeat ARQ**
  * Oba konce mají okno; **každý rámec** se potvrzuje samostatným ACK nebo NACK.
  * Přijímač si rámce, které dorazí mimo pořadí, odkládá do vyrovnávací paměti a čeká, až dorazí chybějící kusy, aby je pak mohl předat dál ve správném sledu.
  * Odesílatel retransmituje **jen ty kusy, které opravdu chybí**.
  * *Výhody:* nejvyšší možné využití šířky pásma; zbytečně se nic neopakuje → ideální pro linky s větším RTT (satellites), nebo když je ztrát málo, ale záleží na rychlosti.
  * *Nevýhody:* složitější implementace, potřebuje víc paměti na oba buffery. Moderní TCP používá formu Selective Repeat – **SACK** (Selective ACK).

=== Detekce chyb (CRC / FCS) ===
  * **CRC (Cyclic Redundancy Check)** – zbytek po dělení dat polynomem, přenáší se spolu s rámcem.
  * Detekuje většinu běžných chyb – typicky se používá na spojové vrstvě.

=== FEC (Forward Error Correction) ===
  * Přidává redundantní bity, které umožní příjemci chybu **opravit bez opakování přenosu**.
  * Hodí se pro případy bez zpětného kanálu (DVB, satelity, streamy).
  * Používají se např. blokové nebo konvoluční kódy.

{{:statnice:bakalar:pasted:20250603-180626.png}} {{:statnice:bakalar:pasted:20250603-181225.png}}

===== 2. Protokoly TCP/IP =====

Protokolový zásobník TCP/IP je základní architekturou internetu. Nevznikl podle ISO/OSI, ale má podobnou strukturu. Obsahuje tyto vrstvy:
  * **Aplikační vrstva** – pohlcuje aplikační, prezentační a relační vrstvu OSI
  * **Transportní vrstva**
  * **Síťová vrstva**
  * **Vrstva síťového rozhraní** – odpovídá spojové a fyzické vrstvě OSI

TCP/IP protokoly definují, jak se data přenášejí od zdroje k cíli pomocí identifikace přes IP adresy. Podporují tyto způsoby doručení:
  * **Unicast** – komunikace 1:1
  * **Broadcast** – 1: všem v síti (např. 255.255.255.255)
  * **Multicast** – 1: skupině zařízení
  * **Anycast** – 1: nejbližšímu z více možných cílů (v IPv6)

==== IPv4 ====
IPv4 je původní verze IP protokolu. Adresy jsou 32bitové, zapisované jako čtyři desetinná čísla (např. `1.1.1.1` (Cloudflare DNS)), správa adres je regionální

IP Adresa má dvě části:  
  * **síťová část** (network number)  
  * **část hostitele** (host number)

Původně byly IP adresy rozděleny na **třídy**:

  * **Třída A** – $2^7 - 2 = 126$ sítí, $2^{24} - 2 = 16777214$ hostitelů
  * **Třída B** – $2^{14} - 2 = 16382$ sítí, $2^{16} - 2 = 65534$ hostitelů
  * **Třída C** – $2^{21} - 2 = 2097150$ sítí, $2^8 - 2 = 254$ hostitelů
  * **Třída D** – pro multicast
  * **Třída E** – rezervováno pro experimenty

**Multicastové adresy:**
  * 224.0.0.x – dobře známé skupiny
  * 239.x.x.x – lokální skupiny (organizace)

**Maska podsítě** definuje, kolik bitů tvoří síťovou část.
  * např. 255.255.252.0 odpovídá síti s $2^{10} - 2 = 1022$ uzly

=== Vyhrazené IPv4 adresy ===

  * **x.x.0.0** – adresa celé sítě  
  * **0.0.0.x** – adresa uzlu v neznámé síti  
  * **255.255.255.255** – omezený broadcast, neprojde přes router  
  * **x.x.255.255** – řízený broadcast, prochází přes router  
  * **127.x.x.x** – loopback (localhost), např. 127.0.0.1  
  * **10.0.0.0/8** – privátní síť (třída A)  
  * **172.16.0.0 – 172.31.0.0** – privátní sítě (třída B)  
  * **192.168.0.0 – 192.168.255.0** – privátní sítě (třída C)

=== Vyčerpání adres a NAT ===

Vzhledem k vyčerpání IPv4 adres se běžně používá:

  * **NAT (Network Address Translation)** – více zařízení sdílí jednu veřejnou IP adresu
  * **NAPT (Network Address Port Translation)** – překlad nejen adres, ale i portů → umožňuje rozlišit zařízení pomocí portů

Např. interní adresa `192.168.1.42:12345` může být zvenku viditelná jako `88.1.2.3:50001`.

==== IPv6 ====

IPv6 je nástupcem protokolu IPv4 – umožňuje přidělit mnohem více unikátních IP adres díky délce **128 bitů** (oproti 32 bitům u IPv4). Zároveň přináší zjednodušenou strukturu hlavičky a pokročilejší funkce (např. anycast, auto-konfiguraci).

**Zápis IPv6 adres:**
  * 8 bloků po 4 hexadecimálních číslicích, oddělených dvojtečkami  
    * např. `2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334`
  * lze zkrátit:
    * **vynechání úvodních nul**: `2001:db8:85a3:0:0:8a2e:370:7334`
    * **nahrazení sekvence nul** pomocí `::` – ale **jen jednou v adrese**: `2001:db8:85a3::8a2e:370:7334`

**Příklad zápisu v URL:** `http://[2001:db8::1]/`

=== Struktura IPv6 adresy ===

Adresa se skládá z několika částí:

  * **Globální směrovací prefix** – typicky 48 bitů
  * **Identifikátor podsítě** – obvykle 16 bitů
  * **Identifikátor rozhraní (interface ID)** – vždy 64 bitů  
    * často odvozen z MAC adresy pomocí **modifikovaného EUI-64**

**Zápis s prefixem:** např. `2001:db8:1234::/48`

=== Typy IPv6 adres ===

  * **Unicast** – identifikuje jeden konkrétní uzel
  * **Multicast** – odeslání dat celé skupině uzlů  
    * prefix `ff00::/8`
  * **Anycast** – doručení nejbližšímu uzlu ze skupiny (pouze v IPv6)
  * (IPv6 **nepodporuje broadcast** – nahrazen multicastem)

=== Vybrané speciální adresy ===

  * `::/128` – nedefinovaná adresa
  * `::1/128` – loopback (ekvivalent 127.0.0.1)
  * `fe80::/10` – link-local adresa (pro komunikaci v rámci jedné linky)
  * `fc00::/7` – unikátní lokální adresy (náhrada IPv4 privátních)
  * `ff00::/8` – multicastové adresy

=== Zvláštní poznámky ===

  * Jedno rozhraní **může mít více IPv6 adres** (např. link-local + globální).
  * Pro označení příslušnosti k síti se používá **prefix**: `adresa/délka`, např. `2001:db8::/32`
  * IPv6 adresa se **v URL zapisuje do hranatých závorek**, např. `http://[2001:db8::1]/`

==== ICMP (Internet Control Message Protocol) ====

ICMP je součástí IP protokolu a slouží k **hlášení problémů při zpracování IP paketů**. Nezajišťuje spolehlivost komunikace – je určen pro diagnostiku a řízení.

  * Povinná součást implementace IPv4 i IPv6.
  * Nepoužívá se pro **broadcast** ani **multicast**.
  * Generování ICMP zpráv je **volitelné** – typicky je generují směrovače.
  * Neposílají se, pokud je zdrojová adresa neplatná (např. `0.0.0.0`, `127.0.0.1`…).

**Příklady využití:**
  * `ping` – posílá ICMP Echo Request, očekává Echo Reply
  * `traceroute` – využívá Time Exceeded zprávy ke zjištění cesty paketů

**Typické typy ICMP zpráv:**
  * Echo Request (8) / Reply (0) ; Destination Unreachable (3) ; Time Exceeded (11) ; Redirect (5)

==== ARP (Address Resolution Protocol) ====

ARP se používá pro **získání MAC adresy podle IP adresy** – na linkové vrstvě IPv4 sítí.

  * Funguje jen v rámci jedné fyzické sítě (neprochází routery).
  * Síťový uzel si udržuje **ARP cache** – tabulku IP ↔ MAC.
  * Pokud MAC adresa není známa:
    * odesílá se **ARP request** (broadcast)
    * cílový uzel odpoví **ARP reply** (unicast)
  * ARP odpověď může aktualizovat existující záznamy v cache.

**Pouze pro IPv4.** V IPv6 se místo toho používá NDP.

==== NDP (Neighbor Discovery Protocol) ====

NDP je protokol používaný v IPv6 sítích pro správu sousedů na linkové vrstvě. Implementuje se pomocí **ICMPv6 zpráv**.

**Zajišťuje:**
  * zjištění linkové adresy souseda (obdoba ARP)
  * detekci změn linkových adres
  * detekci duplicitních adres
  * přesměrování a hledání směrovačů (router discovery)
  * získávání parametrů sítě – prefixy, MTU, směrovače…

**Používané zprávy ICMPv6:** Router Solicitation / Advertisement ; Neighbor Solicitation / Advertisement ; Redirect

==== UDP (User Datagram Protocol) ====

UDP poskytuje jednoduché aplikační rozhraní k IP vrstvě. Přenáší **datagramy (packety)** mezi aplikacemi, ale **neposkytuje žádné záruky** doručení, pořadí ani detekce chyb.
  * **Neposkytuje:** spolehlivost přenosu (žádné potvrzování ani opakování), emulaci spojení, řízení toku
  * **Používá se tam, kde je důležitá rychlost a nízká režie**, např. VoIP, DNS, streamy

**Struktura hlavičky UDP (8 bajtů):**
  * Source Port
  * Destination Port
  * Length – délka celého UDP paketu
  * Checksum – volitelný kontrolní součet

==== TCP (Transmission Control Protocol) ====

TCP zajišťuje **spolehlivou spojovanou komunikaci** mezi aplikacemi. Na rozdíl od UDP garantuje doručení dat ve správném pořadí, bez ztrát a duplikací.

  * Emuluje **plně duplexní spojení** – obě strany mohou komunikovat současně
  * Zajišťuje:
    * **sekvenční číslování** segmentů
    * **potvrzování (ACK)** přijatých dat
    * **řízení toku** pomocí okna
    * **opakování ztracených dat**
    * **segmentaci** větších bloků dat

=== TCP spojení ===

  * Navázání: tzv. **3-way handshake** (SYN → SYN+ACK → ACK)
  * Ukončení: výměna FIN a ACK

=== TCP congestion control (řízení zahlcení) ===

TCP dynamicky upravuje rychlost přenosu na základě ztrát paketů a odezvy:
  * **Slow start:** Začíná s malým oknem, které se exponenciálně zvětšuje, rychle detekuje maximální přenosovou kapacitu
  * **Congestion avoidance:** Po dosažení prahu (ssthresh) přechází na lineární zvyšování, zabraňuje zahlcení sítě
  * **Fast retransmit:** Pokud přijdou 3 duplicitní ACK, předpokládá se ztráta a segment se odešle znovu bez čekání na timeout
  * **Fast recovery:** Po ztrátě nastaví nové (nižší) okno, ale nevstupuje znovu do slow start, umožňuje pokračovat v přenosu s mírným omezením

==== DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) ====

DHCP slouží k **automatickému přidělování síťových parametrů** klientům v síti – nejčastěji IP adresa, maska podsítě, výchozí brána, DNS server apod.

  * DHCP server běží obvykle na routeru nebo jiném síťovém zařízení
  * Adresy jsou přidělovány z definovaného **adresního rozsahu (poolu)**
  * Lze nastavit i **statické přidělení IP** pro konkrétní MAC adresu
  * Protokol běží nad **UDP** a využívá **broadcast** zprávy

Používá se při spuštění počítače nebo zařízení pro získání konfigurace bez zásahu uživatele.

==== DNS (Domain Name System) ====

DNS zajišťuje **překlad doménových jmen na IP adresy a zpět**. Umožňuje používat čitelné názvy místo číselných IP adres.

  * Funguje jako **hierarchický distribuovaný systém**
  * Každá část doménového jména je obsluhována jiným serverem (např. `.cz`, `.cvut.cz`, …)
  * Servery mají **autoritativní zónu** – zodpovídají za konkrétní část doménového stromu
  * Dotazy mohou být **rekurzivní** (server hledá za nás) nebo **iterativní** (vrací jen odkazy dál)

**Příklad překladu `cw.felk.cvut.cz`:**
  * DNS klient postupně získává IP dotazem na:
    * `.cz`
    * `.cvut.cz`
    * `.felk.cvut.cz`
    * `.cw.felk.cvut.cz`

**Typy DNS serverů:**
  * *Primární* – má autoritu a provádí editaci záznamů
  * *Sekundární* – kopie dat od primárního serveru
  * *Caching only* – ukládá odpovědi, snižuje zátěž sítě, není autoritativní

**Historie:**
  * Dříve se překlad řešil lokálně přes soubor `hosts.txt`, který byl sdílen mezi počítači
  * S růstem sítě se tato metoda stala neudržitelnou → vznik DNS


==== Směrování v IP sítích ====

Směrování (routing) zajišťuje **doručení paketů k cílové IP adrese**, i pokud se nachází v jiné síti. Směrování probíhá na **síťové vrstvě**.

**Zajišťuje jej směrovač (router):**
  * Analyzuje cílovou IP adresu v hlavičce paketu
  * Vyhledá nejlepší cestu podle **směrovací tabulky**
  * Paket předá dál – na MAC adresu následujícího uzlu (next hop)
  * Může propojovat sítě s různými fyzickými i linkovými technologiemi (např. Ethernet a Wi-Fi)

**Charakteristiky směrování:**
  * Směrovač zná **topologii sítě** (nebo její část)
  * Směrovací tabulka se může plnit staticky nebo dynamicky (např. pomocí OSPF, BGP…)
  * Směrovače mohou v síti tvořit **zpoždění** – při přetížení mohou některé pakety zahodit

**Gateway:**
  * Prvek pracující na vyšších vrstvách (často až **aplikační**)
  * Umožňuje propojení různých systémů nebo protokolových rodin – například mezi OSI a TCP/IP
  * Překládá formáty, adresy i logiku protokolů


===== 3. Síťové technologie =====

==== Ethernet ====

Ethernet je nejrozšířenější technologie pro **lokální sítě (LAN)**. Patří do linkové vrstvy ISO/OSI modelu a byl vyvinut ve firmě Xerox v 70. letech. Standardizace probíhá pod označením **IEEE 802.3**.

=== Charakteristiky Ethernetu ===
  * Přenáší data v rámci **MAC rámců**
  * Přístupová metoda: **CSMA/CD** – kolize jsou detekovány a rámce znovu odeslány
  * Využívá **kroucenou dvoulinku** nebo **optické vlákno**
  * **Fyzická topologie** může být různá, ale **logická topologie** je většinou **hvězdicová**
  * Pro zamezení smyček se používá **Spanning Tree Protocol (STP)**

=== Varianty Ethernetu ===
  * Historicky: **10Base2** (koaxiální kabel)
  * Dnes běžně: **100Base-TX**, **1000Base-T** (gigabitový Ethernet)
  * Označení podle standardu: **IEEE 802.3xx**, např.:
    * `802.3a` – 10Base2
    * `802.3ab` – 1000Base-T

=== Propojovací zařízení v Ethernet sítích ===
  * **Opakovač (repeater)** – regeneruje signál, zvětšuje dosah (používá se omezeně, max. 2–4 za sebou)
  * **Rozbočovač (hub)** – pracuje na fyzické vrstvě, data vysílá na všechny porty, nevytváří oddělené kolizní domény
  * **Most (bridge)** – filtruje provoz mezi segmenty sítě
  * **Přepínač (switch)** – pracuje na linkové vrstvě, přeposílá rámce jen na cílový port podle MAC adresy, **odděluje kolizní domény**

==== Wi-Fi ====

Wi-Fi je bezdrátová síťová technologie, která umožňuje připojení bez nutnosti fyzické kabeláže. Standardizována je jako **IEEE 802.11**.

=== Vlastnosti Wi-Fi ===
  * **Flexibilita** – není potřeba fyzická infrastruktura, zařízení lze snadno přemisťovat
  * Přenos probíhá v pásmech **2,4 GHz**, **5 GHz** a nově **6 GHz**
  * Přístupová metoda: **CSMA/CA (Collision Avoidance)** – kolizím se předchází, protože zařízení se nemusí vždy navzájem slyšet
  * Kolize se eliminují pomocí **rezervačních mechanismů** (RTS/CTS) a **potvrzování přenosu (ACK)**

=== Typy sítí ===
  * **Ad-hoc** – přímé spojení mezi zařízeními, bez Access Pointu
  * **Infrastructure mode** – připojení zařízení přes **Access Point (AP)**, běžný režim ve většině sítí

=== Spolehlivost přenosu ===
  * Standard **IEEE 802.11** obsahuje vlastní mechanismy zajišťující spolehlivost přenosu
  * I při použití nespolehlivých protokolů (např. UDP) rámce mezi zařízeními nesmí být ztraceny

=== Bezpečnostní standardy ===
  * **WEP** – původní, dnes považován za nebezpečný
  * **WPA** – dočasná náhrada
  * **WPA2** – bezpečné šifrování pomocí AES, dnes nejrozšířenější
  * **WPA3** – moderní standard s vyšší úrovní zabezpečení

==== Přístupové metody ====

Přístupová metoda určuje, jakým způsobem zařízení sdílejí přenosové médium – tedy **kdo a kdy může vysílat**. Dělíme je na deterministické a nedeterministické.

=== Deterministické přístupové metody ===
Kolize **vůbec nenastávají** – přístup je řízený a předem daný.

  * **Master-slave**
    * Jeden uzel (*master*) přiděluje právo vysílat ostatním (*slave*).
    * Slave nemůže sám od sebe vysílat.
    * Využití např. v průmyslových distribuovaných systémech.
    * *+* jednoduchá implementace, *–* závislost na funkci mastera
  * **Token passing**
    * Uzel může vysílat jen, pokud drží **token** – speciální datovou jednotku.
    * Token se předává v kruhu.
    * *+* rovnost uzlů, *–* ztráta tokenu = dočasná nefunkčnost
  * **TDMA (Time Division Multiple Access)**
    * Kanál je rozdělen na **časové sloty**, každé zařízení má přidělený svůj čas.
    * Umožňuje více uživatelům sdílet stejné médium bez kolizí.
  * **Delegated token**
    * Právo vysílat přiděluje **arbitr** vysíláním výzev.
    * *–* závislost na uzlu arbitra

=== Nedeterministické přístupové metody ===
Kolize **mohou nastat**, ale protokol s nimi počítá.

  * **CSMA (Carrier Sense Multiple Access)**
    * Uzel čeká, dokud je médium volné, pak vysílá.
    * Pokud médium není volné, čeká.
  * **CSMA/CD (Collision Detection)** – Ethernet
    * Po detekci kolize vysílání přeruší, čeká **náhodný čas (back-off)** a zkouší znovu.
  * **CSMA/CA (Collision Avoidance)** – Wi-Fi
    * Uzel oznámí úmysl vysílat (např. RTS/CTS), čeká, zda je médium volné.
    * Eliminace kolizí u zařízení, která se navzájem neslyší.
  * **CSMA/CR (Collision Resolution)**
    * Uzlům je přiřazena **priorita** – v případě kolize má přednost uzel s vyšší prioritou.
    * Kolize se neřeší náhodným zpožděním, ale podle pravidel.

==== VLAN (Virtual LAN) ====

**VLAN (Virtual LAN)** umožňuje **logické oddělení provozu** na sdílené fyzické infrastruktuře – bez nutnosti fyzicky oddělených kabeláží. Definováno standardem **IEEE 802.1Q**.

=== Vlastnosti VLAN ===
  * Oddělení komunikace mezi skupinami zařízení – **každá VLAN funguje jako samostatná síť**
  * Implementace je zajištěna pomocí **přepínačů (switchů)**, které přidávají do rámců tzv. **VLAN tagy**
    * VLAN tag obsahuje **číslo VLAN** a volitelně **prioritu**
  * VLAN tagy mohou být využity i pro řízení **QoS (Quality of Service)**
  * **Spanning Tree Protocol (STP)** je spuštěn **samostatně pro každou VLAN**

Díky VLAN je možné například v jedné firmě oddělit síť pro zaměstnance, tiskárny a návštěvníky, i když sdílejí stejné fyzické připojení.

==== Rozdíly mezi rozbočovačem a přepínačem ====

**Rozbočovač (hub)**
  * Pracuje na **fyzické vrstvě** ISO/OSI modelu
  * Data vysílá **všem portům** – forma broadcastu
  * Vede k vysoké míře kolizí a nízké efektivitě
  * **Bezpečnost je nízká**, protože každý může slyšet vše
  * Dnes je **zastaralý** a prakticky nepoužívaný

**Přepínač (switch)**
  * Pracuje na **linkové vrstvě**
  * Data přeposílá **cíleně** podle MAC adresy
  * **Odděluje kolizní domény**, zvyšuje efektivitu přenosu
  * **Bezpečnější** než hub – odposlech je obtížnější
  * Je běžnou součástí moderních LAN sítí