מערכות תקשורת מחשבים תומכות ביישומים כמו ה-World Wide Web, שימוש משותף בשרתים, מדפסות, מכשירי פקס, שיתוף קבצים ושימוש ביישומי דואר אלקטרוני ומסרים מיידיים.
מאפיינים.
תקשורת נתונים יכולה להיחשב כענף של כל אחד מהתחומים הבאים: הנדסת חשמל, טלקומוניקציה, מדעי המחשב, טכנולוגיית מידע או הנדסת מחשבים, מכיוון שתחום זה נסמך על יישומים תאורטיים ופרקטיים של דיסציפלינות אלה.
רשתות מחשבים מאפשרות תקשורת יעילה ונוחה בין אנשים באמצעות דואר אלקטרוני, מסרים מיידיים, חדרי צ'ט, שיחות טלפון ווידאו (בין זוגות או בוועידה).
שירות חשוב נוסף שרשתות רבות מספקות הוא מתן גישה למידע על גבי אמצעי אחסון משותפים. רשתות מחשבים מאפשרת שיתוף של קבצים ונתונים, ובכך מאפשרות למשתמשים בעלי הרשאות מתאימות לגשת למידע המאוחסן על גבי מחשבים אחרים ברשת.
כמו כן תקשורת נתונים מאפשרת שיתוף של משאבי מיחשוב. משתמשים יכולים לגשת ולהשתמש במשאבים ושירותים שמספקים מכשירים ברשת. לדוגמה, להדפיס מסמך ממדפסת המשותפת ברשת. חישוב מבוזר משתמש במשאבי מיחשוב (כוח עיבוד וזיכרון) המפוזרים ברחבי הרשת על מנת לבצע משימות.
רשתות מחשבים יכולות להיות מנוצלות באופן זדוני על ידי האקרים על מנת להחדיר וירוסים או תולעים למחשבים ומכשירים המחוברים לרשת, או כדי למנוע ממכשירים אלה גישה לרשת באמצעות התקפות מניעת שירות.
חבילות מידע.
חבילת מידע (packet) היא יחידה המורכבת מרשימה של ביטים או בתים (בדרך כלל באורך של כמה עשרות בתים או קילובייטים בודדים), המסודרים בפורמט מסוים, ומועברת על גבי רשת מיתוג מנות. רוב המידע ברשתות מחשבים מועבר בצורה זו של חבילות נתונים, וזאת להבדיל מתשתיות תקשורת שאינן תומכות בחבילות נתונים, כמו חיבורים מסוג point-to-point המחברים בין זוגות של מכשירים מתקשרים, ומסוגלות להעביר נתונים כרצפי ביטים פשוטים בלבד.
חבילות נתונים מורכבות משני סוגים של נתונים: מידע לניהול ושליטה (control information) והנתונים עצמם אותם רוצים לשלוח (מידע משתמש – user data או payload). מידע השליטה מכיל את הנתונים שהרשת צריכה על מנת להעביר את מידע המשתמש אל היעד, לדוגמה: כתובות המקור והיעד, קודים לתיקון שגיאות ומידע על מיספור החבילות. בדרך כלל מידע השליטה נמצא בראש החבילה (header) ובסופה (trailer), ומידע המשתמש (payload) נמצא באמצע.
ברשתות מיתוג מנות, הנתונים מחולקים לחבילות הנשלחות דרך הרשת אל היעד. כאשר החבילות מגיעות ליעדן, מרכיבים מהן את המסר המקורי. להבדיל משיטת מיתוג המעגלים, תקשורת בשיטת מיתוג מנות מאפשרת שיתוף יעיל יותר של רוחב הפס בין משתמשים שונים של אותה תשתית רשת. כאשר משתמש אחד לא שולח חבילות נתונים, ערוץ התקשורת יכול להתמלא בחבילות של משתמשים אחרים, וכך, בהנחה שהתשתית לא נמצאת בשימוש יתר, ניתן לחלוק בעלויות התשתית תוך שמירה על כמות קטנה יחסית של הפרעות. לעיתים קרובות המסלול שחבילת מידע צריכה לעבור בו אינו זמין באופן מיידי. במקרים כאלה החבילה נכנסת לתור, ומחכה עד שהחיבור יתפנה.
פרוטוקולי תקשורת.
פרוטוקול תקשורת היא מערכת כללים להעברת מידע על גבי רשת כלשהי. חבילת פרוטוקולים (protocol stack) היא מערכת פרוטוקולים בה כל פרוטוקול משתמש בשירותים שמספק הפרוטוקול שנמצא תחתיו במודל השכבות (ראו: TCP/IP ומודל ה-OSI). דוגמה בולטת לחבילת פרוטוקולים הם פרוטוקול ה-HTTP (הפרוטוקול העיקרי של ה-World Wide Web), הפועל על גבי פרוטוקול ה-TCP, הפועל מעל פרוטוקול ה-IP, הפועל מעל הפרוטוקול IEEE 802.11 (תקן ה-Wi-Fi). חבילת פרוטוקולים זו מאפשרת למשתמש קצה לגלוש לאתר אינטרנט מהמחשב האישי שלו תוך שימוש בנתב אלחוטי.
לפרוטוקולי תקשורת יש מאפיינים שונים רבים: הם יכולים לדרוש הקמת חיבור בין הצדדים המתקשרים (connection-oriented) או לא (connectionless), יכולים להשתמש במיתוג מעגלים או במיתוג מנות והם יכולים להשתמש במערכת כתובות הירארכית או בכתובות שטוחות.
מודלי פעולה.
נהוג לתאר את אופן הפעולה של מערכות תקשורת נתונים באמצעות שני המודלים הבאים:
מודלים אלו מתבססים על חלוקת תפקידים בין פרוטוקולי תקשורת שונים, כאשר בכל פרוטוקול ישנם מספר חוקים מוסכמים שמגדירים את האופן שבו מבצע הפרוטוקול את תפקידו, לטובת כלל תהליך התקשורת. חלק מהפרוטוקולים, כמו ה-IP, מאפשרים לחלק את הנתונים הנשלחים לחבילות קטנות, על מנת להקל על תהליך השליחה. חלוקה זו מאפשרת מיתוג מנות, ויוצרת גמישות רבה יותר בפעולת מערכת התקשורת.
קיימים פרוטוקולי תקשורת רבים. הפרוטוקולים הנפוצים מסוכמים בטבלאות שמשמאל, המציגות את הפרוטוקולים ביחס למיקום שלהם במודל ה-OSI ומודל ה-TCP/IP.
תשתית פיזית.
קיימים סוגים שונים של תווך פיזי להעברת נתונים (באנגלית: transmission media או physical media), המשמש לחיבור בין מכשירים ליצירת רשת מחשבים. בהם נכללים: כבלים חשמליים (Ethernet, קווי חשמל, קווי טלפון ועוד), סיבים אופטיים וגלי רדיו (תקשורת אלחוטית). במודל ה-OSI, אלה מוגדרים בשכבות 1 ו-2 - השכבה הפיזית ושכבת הקו.
Ethernet היא טכנולוגיה נפוצה להקמת רשתות תקשורת מקומיות (LAN), המגדירה קבוצה של מדיות להעברת נתונים. הסטנדרטים של המדיות והפרוטוקולים שמאפשרים תקשורת בין מכשירים המחוברים ברשת Ethernet מוגדרים בתקן IEEE 802.3. ב-Ethernet ניתן להעביר נתונים הן על גבי כבלי נחושת והן על כבלים של סיבים אופטיים.
סטנדרטים לרשתות תקשורת מקומיות אלחוטיות (wireless LAN), המוגדרים בתקן IEEE 802.11, משתמשים בגלי רדיו או בקרינת אינפרה-אדום כתווך להעברת אותות.
תקשורת נתונים מעל רשת החשמל משתמשת בקווי החשמל של הבניין לצורך העברת נתונים. סוג תווך זה נפוץ פחות יחסית לאלה שהוזכרו קודם.
תשתיות כבלים.
הטכנולוגיות הבאות מסודרות על פי קצבי התעבורה המקסימליים הנתמכים על ידי כל אחת מהן, מהנמוך לגבוה:
ציוד רשת.
מלבד התווך הפיזי להעברת נתונים, רשתות מורכבות מציוד (חומרה) ומכשירים המהווים את אבני הבניין או צומתי הרשת:
כרטיס רשת.
כרטיס רשת (network interface controller או בקיצור NIC) הוא חומרת מחשב המאפשרת למחשב להתחבר לתווך הפיזי, ויש לו את היכולת לעבד מידע רשת מהשכבות הנמוכות. לדוגמה, כרטיס רשת יכול להיות מחבר לקליטה ושידור על גבי כבל או באמצעות גלי רדיו, ועל ידי אלקטרוניקה הנלווית.
כרטיסי רשת מגיבים לנתונים הממוענים לכתובת הרשת של הכרטיס עצמו, או של המחשב בכלל. ברשתות Ethernet, לכל כרטיס רשת יש כתובת MAC ייחודית, המאוחסנת בזיכרון הקבוע של הכרטיס. על מנת למנוע התנגשויות בין כתובות של מכשירי רשת שונים, ארגון ה-IEEE מנהל ומקצה כתובות MAC, כך שכל כתובת תהיה ייחודית. כתובות MAC מורכבות מ-6 בתים (48 ביט): 3 הבתים הראשונים שמורים כקידומת לזיהוי היצרן של הציוד, ו-3 הבתים האחרונים מנוצלים על ידי היצרן כדי להרכיב כתובת ייחודית עבור כל מכשיר המיוצר על ידו.
משחזר ורכזת.
משחזר (repeater) הוא מכשיר אלקטרוני המקבל סיגנל רשת, מנקה אותו מרעשים ומפיק את הסיגנל מחדש. הסיגנל משודר מחדש בעוצמה גבוהה יותר או עוקף חסימות במטרה לכסות מרחקים גדולים יותר ללא איבודי מידע. שימוש במשחזרים נדרש במרבית המקרים של שימוש בכבלי Ethernet של זוגות שזורים הנמתחים לאורך של יותר מ-100 מטרים. כאשר משתמשים בסיבים אופטיים, משחזרים יכולים להימצא במרחקים של עשרות עד מאות קילומטרים אחד מהשני.
משחזר בעל כניסות מרובות נקרא רכזת (hub). משחזרים פועלים בשכבה הפיזית של מודל ה-OSI, והם דורשים זמן קצר על מנת לשחזר את הסיגנל - דבר שיכול לגרום לזמן השהייה ולהשפיע על ביצועי הרשת. כתוצאה מכך, ארכיטקטורות רשת רבות מגבילות את מספר המשחזרים שניתן להשתמש בהם ברצף.
השימוש ברכזות הופסק בעיקרו והוחלף בשימוש במתגים (switches) מודרניים. עם זאת, השימוש במשחזרים נמשך עבור חיבורים למרחקים ארוכים, בייחוד בשימוש עם כבלים תת-ימיים.
גשר.
גשר (bridge) מחבר ומסנן תעבורה בין שני חלקי רשת בשכבת הקו (שכבה 2) של מודל ה-OSI, ליצירת רשת אחת. דבר זה שובר את מתחם ההתנגשות (collision domain) של הרשת, אך שומר על מתחם שידור (broadcast domain) אחד. חלוקת הרשת למתחמים מחלקת רשת אחת גדולה וגדושה לאוסף של רשתות קטנות ויעילות יותר.
קיימים שלושה סוגים עיקריים של גשרים:
מתג.
מתג (switch) הוא מכשיר המסנן ומעביר חבילות מידע בשכבה 2 של מודל ה-OSI (שכבת הקו), בין הכניסות השונות שלו (פורטים פיזיים), בהתבסס על כתובות ה-MAC שבחבילות. מתגים שונים מרכזות (hub) בכך שהם לא מעבירים את חבילות הנתונים לכל הפורטים הפיזיים המחוברים, אלא מעבירים חבילות רק לפורטים המעורבים בתקשורת. ניתן לחשוב על מתג כעל גשר בעל כניסות מרובות. המתג לומד לשייך פורטים פיזיים לכתובות MAC באמצעות בחינה של כתובת המקור שבתוך החבילות המתקבלות. אם מגיעה חבילה המיועדת לכתובת לא ידועה, המתג משדר אותה לכל הפורטים מלבד פורט הכניסה. בדרך כלל למתגים יש כניסות מרובות, מה שמאפשר יצירה של טופולוגיית כוכב בין המכשירים המחוברים.
מתגים הפועלים על כמה שכבות (multi-layer switch) יכולים גם לנתב חבילות נתונים על סמך כתובות של שכבה 3 (שכבת הרשת) או של שכבות לוגיות נוספות. לעיתים קרובות משתמשים במושג switch באופן כללי, וכוללים בו גם מכשירים כמו נתבים וגשרים, כמו גם מכשירים המסוגלים לחלק את התעבורה על סמך עומסים ותוכן משכבת היישום (כמו כתובת URL).
נתב.