Číselné sústavy, diskové oddiely a protokoly TCP/IP

Číselné sústavy, diskové oddiely a protokoly TCP/IP

Táto téma z informatiky sa venuje prevodu čísel medzi rôznymi číselnými sústavami, rozdeleniu fyzických diskov na oddiely a zväzky a pravidlám, ktoré umožňujú zariadeniam komunikovať v počítačových sieťach a na internete.

Číselné sústavy

Číselná sústava je spôsob zápisu čísel pomocou určitej množiny číslic a stanovených pravidiel.

V informatike sa najčastejšie stretávame s:

• desiatkovou sústavou – základ 10,
• dvojkovou – binárnou sústavou – základ 2,
• šestnástkovou – hexadecimálnou sústavou – základ 16.

Desiatková sústava

Desiatková číselná sústava používa desať číslic:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9

Je to pozičná sústava so základom 10. Hodnota číslice závisí od jej pozície.

Napríklad číslo 194 môžeme rozpísať:

194 = 1 × 10² + 9 × 10¹ + 4 × 10⁰

teda:

194 = 100 + 90 + 4

Binárna sústava

Binárna – dvojková sústava používa iba dve číslice:

0 a 1

Jej základom je číslo 2.

Binárny zápis je pre počítače prirodzený, pretože digitálne elektronické obvody dokážu jednoducho pracovať s dvoma základnými stavmi.

Tieto stavy môžeme zjednodušene interpretovať ako:

• 0 – vypnuté, nízka úroveň,
• 1 – zapnuté, vysoká úroveň.

Bit

Jedna binárna číslica sa označuje ako:

bit – binary digit

Osem bitov tvorí:

1 bajt = 8 bitov

Hexadecimálna sústava

Hexadecimálna – šestnástková sústava používa základ 16.

Obsahuje číslice:

0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F

Písmená označujú hodnoty:

Hexadecimálny zápis sa v informatike používa často preto, že je výrazne kratší a prehľadnejší ako dlhý binárny zápis.

Vzťah binárnej a hexadecimálnej sústavy

Jedna hexadecimálna číslica predstavuje presne:

4 bity

Preto napríklad:

Prevod čísla 194 z desiatkovej do binárnej sústavy

V zadaní máme previesť číslo:

194₁₀

do binárnej sústavy.

Použijeme postupné delenie číslom 2 a zapisujeme zvyšky po delení.

Zvyšky prečítame zdola nahor:

11000010

Výsledok:

194₁₀ = 11000010₂

Kontrola výsledku

Binárne číslo môžeme previesť späť do desiatkovej sústavy:

11000010₂

predstavuje:

1 × 2⁷ + 1 × 2⁶ + 0 × 2⁵ + 0 × 2⁴ + 0 × 2³ + 0 × 2² + 1 × 2¹ + 0 × 2⁰

teda:

128 + 64 + 2 = 194

Výsledok je teda správny.

Prevod čísla 194 do hexadecimálnej sústavy

Pri prevode do hexadecimálnej sústavy delíme číslo základom sústavy, teda číslom:

16

Výpočet:

194 : 16 = 12, zvyšok 2

Hodnota 12 sa v hexadecimálnej sústave označuje písmenom:

C

Výsledok preto je:

194₁₀ = C2₁₆

Kontrola

Hexadecimálne číslo C2 prevedieme späť:

C2₁₆ = 12 × 16¹ + 2 × 16⁰

= 12 × 16 + 2

= 192 + 2

= 194

Rýchly prevod medzi binárnou a hexadecimálnou sústavou

Výsledok v binárnej sústave máme:

11000010

Rozdelíme ho sprava na štvorice bitov:

1100 0010

Prvá štvorica:

1100 = C

Druhá štvorica:

0010 = 2

Preto:

11000010₂ = C2₁₆

Výsledok praktickej úlohy

194₁₀ = 11000010₂ = C2₁₆

Delenie pevných diskov

Fyzický pevný disk alebo SSD nemusí byť pre operačný systém používaný ako jeden jediný celok.

Môžeme ho rozdeliť na niekoľko samostatných častí, ktoré označujeme ako oddiely – partitions.

Na oddieloch následne vytvárame zväzky – volumes a súborové systémy, napríklad NTFS alebo exFAT.

Fyzický disk, oddiel a zväzok

Fyzický disk

Fyzický disk je samotné hardvérové úložné zariadenie.

Môže ísť napríklad o:

• HDD,
• SATA SSD,
• NVMe SSD,
• USB úložisko.

Oddiel – partition

Oddiel je logicky vyhradená časť fyzického disku.

Jeden fyzický disk môžeme rozdeliť napríklad na:

• systémový oddiel,
• oddiel s používateľskými dátami,
• obnovovací oddiel.

Zväzok – volume

Zväzok je logická úložná jednotka, ktorú môže operačný systém používať na ukladanie súborov.

Zväzok je typicky naformátovaný určitým súborovým systémom.

V jednoduchom prípade môže jeden oddiel predstavovať jeden zväzok, ale pojmy oddiel a zväzok nie sú úplne totožné.

Prečo sa disk rozdeľuje?

Rozdelenie disku môže slúžiť napríklad na:

• oddelenie operačného systému od používateľských dát,
• používanie viacerých operačných systémov,
• vytvorenie obnovovacieho oddielu,
• použitie rôznych súborových systémov,
• jednoduchšiu organizáciu údajov.

Rozdelenie však samo osebe nepredstavuje zálohu. Ak fyzický disk zlyhá, môžu sa stratiť údaje zo všetkých jeho oddielov.

Tabuľka oddielov

Informácia o tom, ako je disk rozdelený, sa uchováva v jeho tabuľke oddielov – partition table.

Dve hlavné schémy sú:

• MBR – Master Boot Record,
• GPT – GUID Partition Table.

MBR – Master Boot Record

MBR je staršia schéma rozdelenia diskov.

Historicky bola úzko spätá s počítačmi používajúcimi klasický BIOS.

MBR obsahuje:

• informácie o rozdelení disku,
• historicky aj zavádzací kód používaný pri štarte systému.

Obmedzenie MBR

Štandardný MBR umožňuje vytvoriť maximálne:

4 primárne oddiely

alebo napríklad:

3 primárne oddiely + 1 rozšírený oddiel

Rozšírený oddiel môže obsahovať viacero logických jednotiek.

Primárny oddiel

Primárny oddiel je oddiel zapísaný priamo v hlavnej tabuľke oddielov MBR.

MBR má priestor najviac pre štyri takéto záznamy.

Rozšírený oddiel

Rozšírený oddiel – extended partition vznikol ako spôsob, ako prekonať limit štyroch oddielov pri MBR.

Samotný rozšírený oddiel sa bežne nepoužíva priamo na ukladanie súborov. Slúži ako kontajner pre ďalšie:

logické jednotky – logical drives

Príklad

Disk s MBR môže mať:

• primárny oddiel 1,
• primárny oddiel 2,
• primárny oddiel 3,
• rozšírený oddiel,
  • logickú jednotku 1,
  • logickú jednotku 2,
  • logickú jednotku 3.

GPT – GUID Partition Table

GPT – GUID Partition Table je modernejšia schéma delenia diskov.

Je štandardnou súčasťou architektúry UEFI a pri moderných počítačoch je spravidla vhodnejšia než MBR.

Výhody GPT

• podporuje veľmi veľké disky,
• nemá tradičný limit štyroch primárnych oddielov,
• nepotrebuje rozšírené oddiely a logické jednotky v zmysle MBR,
• uchováva redundantné informácie o tabuľke oddielov,
• používa kontrolné mechanizmy na odhalenie poškodenia svojich štruktúr.

Vo Windows sa na bežnom GPT disku typicky podporuje až 128 oddielov.

MBR a GPT – porovnanie

Typické oddiely systému Windows na GPT disku

Moderná inštalácia Windows môže na systémovom GPT disku vytvoriť viacero oddielov.

EFI System Partition – ESP

EFI System Partition obsahuje súbory potrebné na spustenie operačného systému v prostredí UEFI.

Je to malý systémový oddiel a používateľ s ním bežne priamo nepracuje.

Microsoft Reserved Partition – MSR

MSR je rezervovaný oddiel používaný systémom Windows na GPT diskoch pre internú správu disku.

Systémový zväzok Windows

Hlavný zväzok s operačným systémom je vo Windows typicky označený:

C:

Nachádza sa na ňom napríklad:

• Windows,
• Program Files,
• používateľské profily,
• nainštalované aplikácie.

Recovery Partition

Obnovovací oddiel môže obsahovať prostredie Windows Recovery Environment, ktoré sa používa pri diagnostike a opravách systému.

Označovanie zväzkov vo Windows

Windows tradične označuje zväzky písmenami:

• C:
• D:
• E:
• a podobne.

Hlavný systémový zväzok býva zvyčajne označený ako:

C:

Ďalšie písmená môžu patriť napríklad:

• ďalšiemu oddielu,
• druhému fyzickému disku,
• USB flash disku,
• externému disku,
• optickej mechanike.

Z písmena jednotky preto nemožno automaticky určiť, či ide o samostatný fyzický disk alebo iba o ďalší zväzok na tom istom disku.

Pripojovací bod

Windows nemusí zväzku vždy prideliť písmeno.

Zväzok môže byť pripojený aj do určitého priečinka systému NTFS. Ide o takzvaný mount point – pripojovací bod.

Písmená jednotiek sú teda bežným používateľským označením, nie nevyhnutnou vlastnosťou samotného disku.

Zistenie rozdelenia diskov vo Windows

Na zobrazenie fyzických diskov, oddielov a zväzkov môžeme použiť nástroj:

Správa diskov – Disk Management

Možnosti Správy diskov

Pomocou nej môžeme zobraziť:

• fyzické disky,
• ich veľkosť,
• jednotlivé oddiely,
• súborové systémy,
• písmená jednotiek,
• nepridelené miesto,
• stav jednotlivých zväzkov.

Podľa situácie umožňuje aj:

• vytvárať nové zväzky,
• formátovať ich,
• meniť písmeno jednotky,
• zmenšovať alebo rozširovať niektoré zväzky,
• odstraňovať oddiely.

Pozor na údaje

Pri zmene rozdelenia disku treba postupovať opatrne.

Operácie ako:

• odstránenie oddielu,
• formátovanie,
• konverzia určitých typov diskov,

môžu spôsobiť stratu údajov.

Pred zásadnými zmenami je preto vhodné vytvoriť zálohu dôležitých dát.

GParted

GParted je slobodný nástroj na správu diskových oddielov.

Umožňuje napríklad:

• vytvárať oddiely,
• odstraňovať ich,
• meniť ich veľkosť,
• presúvať ich,
• pracovať s rôznymi súborovými systémami.

Niektoré operácie dokáže vykonať bez straty existujúcich dát, ale pri každej zmene štruktúry disku existuje riziko chyby alebo výpadku, preto je záloha stále potrebná.

Oddiel nie je súborový systém

Oddiel určuje, ktorá časť fyzického disku patrí konkrétnej logickej oblasti.

Súborový systém určuje, ako sa na tejto oblasti organizujú súbory a priečinky.

Oddiel môžeme napríklad naformátovať ako:

• NTFS,
• exFAT,
• FAT32,
• ext4,
• iný podporovaný súborový systém.

Protokol pri sieťovej komunikácii

Sieťový protokol je súbor pravidiel, podľa ktorých spolu komunikujú zariadenia v počítačovej sieti.

Určuje napríklad:

• ako majú byť údaje usporiadané,
• ako sa identifikuje odosielateľ a príjemca,
• ako sa začne a ukončí komunikácia,
• ako sa rozpoznajú jednotlivé typy správ,
• ako sa riešia chyby,
• ako sa údaje smerujú k cieľu.

Prečo je protokol potrebný?

Ak majú dve zariadenia komunikovať, musia používať pravidlá, ktorým rozumejú obe strany.

Môžeme to prirovnať k ľudskej reči:

ak dvaja ľudia nepoznajú spoločný jazyk ani pravidlá komunikácie, nedokážu si spoľahlivo odovzdávať informácie.

Rovnako musí klient a server pri konkrétnej komunikácii používať kompatibilné protokoly.

Protokol určuje formát komunikácie

Sieťový protokol môže určovať napríklad:

• formát hlavičky,
• význam jednotlivých polí,
• poradie správ,
• adresovanie,
• kontrolu chýb,
• potvrdzovanie prijatia.

TCP/IP

TCP/IP nie je jeden jediný protokol. Ide o rodinu – sadu sieťových protokolov, ktorá tvorí základ komunikácie na internete.

Názov vznikol podľa dvoch významných protokolov:

• TCP – Transmission Control Protocol,
• IP – Internet Protocol.

Súčasťou rodiny TCP/IP je však omnoho viac protokolov.

Vrstvový model TCP/IP

Komunikácia TCP/IP je rozdelená do niekoľkých vrstiev.

Zjednodušene rozlišujeme:

1. aplikačnú vrstvu,
2. transportnú vrstvu,
3. internetovú vrstvu,
4. vrstvu sieťového prístupu – linkovú vrstvu.

1. Aplikačná vrstva

Aplikačná vrstva poskytuje sieťové služby konkrétnym aplikáciám.

Patria sem napríklad protokoly:

• HTTP / HTTPS – web,
• DNS – preklad doménových názvov,
• SMTP – elektronická pošta,
• IMAP – práca s e-mailovou schránkou,
• FTP – prenos súborov,
• SSH – bezpečný vzdialený prístup.

2. Transportná vrstva

Transportná vrstva zabezpečuje komunikáciu medzi konkrétnymi procesmi alebo aplikáciami na koncových zariadeniach.

Medzi najdôležitejšie protokoly patria:

• TCP,
• UDP.

TCP – Transmission Control Protocol

TCP je spojovo orientovaný transportný protokol navrhnutý na spoľahlivý prenos dát.

Zabezpečuje napríklad:

• vytvorenie logického spojenia medzi komunikujúcimi stranami,
• číslovanie prenášaných dát,
• potvrdzovanie prijatia,
• opätovné odoslanie chýbajúcich dát,
• správne usporiadanie dát,
• riadenie toku,
• mechanizmy riadenia zahltenia siete.

TCP a spoľahlivosť

Ak niektorá časť prenášaných dát nepríde alebo nie je potvrdená, TCP môže zabezpečiť jej opätovné odoslanie.

Prijímateľ následne zostaví údaje v správnom poradí.

Porty

TCP používa čísla portov, ktoré pomáhajú operačnému systému rozpoznať, ktorej aplikácii alebo službe patria prijaté údaje.

Príklad:

• HTTPS typicky používa port 443,
• HTTP tradične port 80.

UDP – User Datagram Protocol

Nie každá internetová komunikácia používa TCP.

UDP je jednoduchší transportný protokol, ktorý štandardne neposkytuje rovnaké mechanizmy potvrdenia a opakovaného odosielania ako TCP.

Výhodou je menšia režijná záťaž a nízka latencia.

Používa sa napríklad pri niektorých:

• DNS požiadavkách,
• online hrách,
• hlasových a videokomunikačných aplikáciách,
• streamovacích protokoloch.

Moderný protokol QUIC, ktorý sa používa napríklad pri HTTP/3, je takisto postavený nad UDP a vlastné mechanizmy spoľahlivosti rieši na vyššej úrovni.

3. Internetová vrstva

Najdôležitejším protokolom internetovej vrstvy je:

IP – Internet Protocol

Jeho základnou úlohou je zabezpečiť:

• logické adresovanie zariadení,
• vytváranie IP paketov,
• smerovanie paketov medzi sieťami.

IP adresa

Každé zariadenie komunikujúce pomocou IP potrebuje v príslušnej sieti IP adresu.

Rozlišujeme:

• IPv4,
• IPv6.

IPv4

IPv4 adresa má 32 bitov.

Príklad:

192.168.1.10

IPv6

IPv6 používa 128-bitové adresy a poskytuje podstatne väčší adresný priestor.

Príklad skráteného zápisu:

2001:db8::1

Smerovanie

Ak cieľové zariadenie nie je v rovnakej lokálnej sieti, paket sa odovzdá smerovaču – routeru.

Router:

1. preskúma cieľovú IP adresu,
2. pozrie sa do smerovacej tabuľky,
3. vyberie vhodnú ďalšiu cestu,
4. odošle paket smerom k cieľu.

Paket môže na ceste internetom prejsť cez viacero smerovačov.

IP nezaručuje doručenie

Samotný protokol IP funguje na princípe best effort.

To znamená, že sa snaží paket doručiť, ale sám nezaručuje:

• že paket určite dorazí,
• že dorazí iba raz,
• že pakety dorazia v rovnakom poradí, v akom boli odoslané.

Ak aplikácia potrebuje spoľahlivý prenos, môžu túto úlohu zabezpečiť vyššie vrstvy, napríklad TCP.

4. Vrstva sieťového prístupu

Najnižšia vrstva modelu TCP/IP zabezpečuje prenos dát prostredníctvom konkrétnej lokálnej sieťovej technológie.

Patria sem napríklad:

• Ethernet,
• Wi-Fi,
• ďalšie linkové a fyzické technológie.

Na tejto úrovni sa rieši napríklad:

• prenos rámcov,
• MAC adresovanie,
• prístup k fyzickému prenosovému médiu.

Zapuzdrenie dát

Pri odosielaní údajov jednotlivé vrstvy postupne pridávajú vlastné riadiace informácie.

Zjednodušene:

aplikačné dáta

↓

TCP segment alebo UDP datagram

↓

IP paket

↓

ethernetový alebo Wi-Fi rámec

↓

fyzický prenos signálu

Tento proces označujeme ako:

encapsulation – zapuzdrenie

Prijatie dát

Na cieľovom zariadení sa vykonáva opačný proces.

Jednotlivé vrstvy postupne:

1. spracujú vlastnú hlavičku,
2. odstránia ju,
3. odovzdajú zostávajúce údaje vyššej vrstve.

Nakoniec sa pôvodné údaje dostanú do cieľovej aplikácie.

Príklad načítania webovej stránky

Pri otvorení webovej stránky môže komunikácia zjednodušene prebiehať takto:

1. prehliadač vytvorí požiadavku HTTP alebo HTTPS,
2. transportná vrstva zabezpečí prenos prostredníctvom TCP alebo iného vhodného transportu,
3. IP pridá zdrojovú a cieľovú IP adresu,
4. linková vrstva vytvorí rámec,
5. údaje sa fyzicky prenesú sieťou,
6. smerovače postupne smerujú IP pakety k serveru,
7. server požiadavku spracuje,
8. odpoveď sa podobným spôsobom prenesie späť do prehliadača.

TCP/IP a OSI

TCP/IP môžeme porovnať s teoretickým sedemvrstvovým modelom OSI.

TCP a IP – základný rozdiel

Čo si zapamätať

• Číslo 194₁₀ má binárny zápis 11000010₂.
• Číslo 194₁₀ má hexadecimálny zápis C2₁₆.
• Pri prevode z desiatkovej do binárnej sústavy môžeme číslo opakovane deliť dvomi a zvyšky čítať zdola nahor.
• Pri prevode do hexadecimálnej sústavy používame základ 16; hodnota 12 sa zapisuje ako C.
• Jedna hexadecimálna číslica zodpovedá 4 bitom.
• Fyzický disk možno rozdeliť na viacero oddielov – partitions.
• Zväzok – volume je logická úložná jednotka používaná operačným systémom.
• Informácie o rozdelení disku obsahuje tabuľka oddielov.
• MBR je staršia schéma, ktorá umožňuje najviac štyri položky primárnych oddielov alebo kombináciu primárnych a rozšíreného oddielu.
• GPT je modernejšia schéma používaná najmä s UEFI a vo Windows typicky umožňuje až 128 oddielov.
• GPT nepotrebuje rozšírené oddiely a logické jednotky v zmysle MBR.
• Windows zväzky tradične označuje písmenami, napríklad C: alebo D:.
• Rozdelenie diskov môžeme vo Windows prezerať a spravovať pomocou nástroja Správa diskov.
• Zmena oddielov môže viesť k strate údajov, preto je pred zásadnými operáciami dôležitá záloha.
• Sieťový protokol je súbor pravidiel určujúcich spôsob komunikácie medzi zariadeniami.
• TCP/IP nie je jeden protokol, ale celá rodina protokolov používaná na internete.
• Model TCP/IP obsahuje aplikačnú, transportnú, internetovú a linkovú vrstvu.
• IP zabezpečuje najmä adresovanie a smerovanie paketov pomocou IP adries.
• TCP poskytuje spoľahlivý prenos, kontroluje poradie dát a môže zabezpečiť opätovné odoslanie chýbajúcich častí.
• UDP má menšiu režijnú záťaž a štandardne neposkytuje rovnaké potvrdenie doručenia ako TCP.
• Pri prenose sa údaje postupne zapuzdrujú do segmentu alebo datagramu, IP paketu a linkového rámca.