Σηµειώσεις ικτύων Υπολογιστών. Θεωρία

Transcript

1 ΤΕΙ Πειραιά Σχολή Τεχνολογικών Εφαρµογών Τµήµα Αυτοµατισµού Σηµειώσεις ικτύων Υπολογιστών Θεωρία Αθήνα, 2010 ιδάσκων καθηγητής: Ι. Αγγελόπουλος Τα πνευµατικά δικαιώµατα αυτού του βιβλίου ανήκουν στον Ι.. Αγγελόπουλο. Απαγορεύεται αυστηρά η ανατύπωση ή φωτοτύπηση για άλλο σκοπό πλην της χρήσης από σπουδαστές του τµήµατος Αυτοµατισµού ΤΕΙ Πειραιά.

2 Βιβλιογραφία: Σηµειώσεις Θεωρίας ικτύων Υπολογιστών, Ι.. Αγγελόπουλος. ιαθέσιµες σε µορφή pdf στην ιστοσελίδα: http//:auto.teipir.gr (ιδέ Μάθηµα ίκτυα Υπολογισυών, αριστερή στήλη) Α. Στα Αγγλικά: 1. Tanenbaum, Andrew S., "Computer Networks", Third Edition, Prentice Hall, 1996, ISBN James Kurose, Keith Ross, Computer Networking, 3 rd Edition, Int. Edition, Addison Wesley, ISBN: Computer Networking, 5th edition, James F. Kurose, Keith W. Ross, Addison-Wesley, ISBN: Jean Walrand, "Communication Networks", 2nd ed., McGraw Hill, 1998, ISBN Data Networks των D.Bertsekas-Galagher.Μπορείτε να το κατεβάσετε από την ιστοσελίδα: 6. Handbook of Computer Communications Standards του W.Stallings, Volume 2 - Edition H.W.Sams. Β. Στα Ελληνικά: 7. Αρης Αλεξόπουλος, Γιώργος Λαγογιάννης, «Τηλεπικοινωνίες και ίκτυα Υπολογιστών, Πέµπτη έκδοση, 1999, ISBN: A. Tanenbaum, «ίκτυα Υπολογιστών, 3 η έκδοση, Παπασωτηρίου, Αθήνα 2000 (Ελληνική έκδοση του 1) 2

3 Σηµειώσεις µαθήµατος Κεφάλαιο 1ο ΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Εισαγωγή στα δίκτυα δεδοµένων Τα δίκτυα δεδοµένων εξαπλώνονται µε ιλιγγιώδεις ρυθµούς και έχουν προ πολλού γίνει εργαλείο µελέτης, εργασίας και διασκέδασης που επηρεάζει όλους τους τοµείς της ανθρώπινης δραστηριότητας. Η επικοινωνία δεδοµένων έναντι της κλασσικής επικοινωνίας όπου η ανταλλασσόµενη πληροφορία ήταν κυρίως σε µορφή φωνής (αν και η ανταλλαγή δεδοµένων µε την µορφή της τηλεγραφίας προηγήθηκε σαν εµπορική εφαρµογή ευρείας έκτασης) έφτασε στις µέρες µας να ξεπεράσει την κίνηση φωνής ενώ συνεχίζει να αυξάνει αλµατωδώς. Ένα δίκτυο επικοινωνιών σχηµατίζεται µε την διασύνδεση ενός συνόλου υπολογιστών εις τρόπον ώστε να µπορούν να ανταλλάσσουν πληροφορίες. Η επικοινωνία των υπολογιστών επιτυγχάνεται µε την ανταλλαγή µηνυµάτων ειδικής φόρµας ακολουθώντας ειδικούς κανόνες (πρωτόκολλα) ώστε να µπορούν να τα ερµηνεύουν όλοι οι υπολογιστές που διαθέτουν τις αντίστοιχες προβλέψεις υπό µορφή υλικού (π.χ. κάρτας δικτύου) και λογισµικού (π.χ. πρωτόκολλο TCP/IP). Η απλούστερη µορφή δικτύου λαµβάνει χώρα όταν οι υπολογιστές συνδέονται ανά δύο απ' ευθείας µε µια τηλεπικοινωνιακή ζεύξη σηµείου προς σηµείο. Όµως εκτός από πολύ απλές περιπτώσεις αυτό δεν είναι και τόσο χρήσιµη λύση διότι δεν είναι γενικεύσιµη. Οι υπολογιστές µπορεί να βρίσκονται πολύ µακριά ο ένας από τον άλλο, ώστε να µην δικαιολογείται το κόστος της απ' ευθείας σύνδεσης. Επίσης, εάν ακολουθήσουµε αυτή τη λογική θα πρέπει να ξεκινά από την κάθε συσκευή ένα πλήθος τέτοιων ζεύξεων ίσων µε όλα τα πιθανά σηµεία ανταπόκρισης. ηλαδή αν δούµε την αντίστοιχη περίπτωση τηλεφωνίας, για να µπορεί να συνδεθεί το τηλέφωνο µας σε οποιαδήποτε άλλη τηλεφωνική συσκευή στη γη θα έπρεπε να ξεκινάνε από το σπίτι µας εκατοµµύρια γραµµές που δεν θα υπήρχε χώρος να τοποθετηθούν, αλλά και θα χρειαζόντουσαν ώρες να βρεθεί η γραµµή του κάθε ανταποκριτή. Το πρόβληµα αυτό έλυσαν τα δίκτυα και η τεχνική της µεταγωγής (switching). Ωστόσο η πιο κατάλληλη µέθοδος µεταγωγής για τα δεδοµένα δεν συµπίπτει µε τη µέθοδο που παραδοσιακά ακολουθήθηκε στην τηλεφωνία. Έτσι ο σχεδιασµός ενός δικτύου υπολογιστών, έχει πολλά κοινά σηµεία αλλά και σηµαντικές διαφορές µε το σχεδιασµό του τηλεφωνικού δικτύου. Η επικοινωνία µεταξύ υπολογιστών έχει µερικές χαρακτηριστικές ιδιότητες που είναι ουσιωδώς διαφορετικές από εκείνες της τηλεφωνικής µετάδοσης. Όταν δύο άνθρωποι συνοµιλούν, τα χάσµατα στη συνοµιλία διαρκούν λίγο οπότε η τηλεπικοινωνιακή κίνηση που προκύπτει είναι σχεδόν σταθερού ρυθµού. Ενίοτε µάλιστα οι γύρω ήχοι που περιγράφουν µία "ατµόσφαιρα" πρέπει να µεταφερθούν (π.χ. µετάδοση αθλητικού γεγονότος) οπότε απαιτείται συνεχής µετάδοση σταθερού ρυθµού. Επίσης η φωνή είναι µία υπηρεσία πραγµατικού χρόνου που δεν ανέχεται καθυστέρηση. Αντίθετα όταν επικοινωνούν υπολογιστές η ακριβής στιγµή άφιξης της πληροφορίας δεν έχει κρίσιµη σηµασία, ενώ τα χάσµατα είναι ο κανόνας, όχι η εξαίρεση. Μια σειρά δεδοµένων, π.χ. µεταφορά ενός αρχείου µπορεί να ακολουθηθεί από σιωπή πολλών λεπτών που ο χειριστής µελετά κάποιο µενού ή φτιάχνει τον καφέ του. Η µεταφορά από υπολογιστή σε υπολογιστή χρειάζεται διακοπτόµενη χρήση ενός κατά κανόνα µεγάλου εύρους ζώνης καναλιού. Το απαιτούµενο εύρος ποικίλει φυσικά πάρα πολύ αλλά γενικώς είναι εκνευριστικό να υπάρχει µεγάλη αναµονή µετά την αίτηση κάποιας εξυπηρέτησης. Έτσι ενώ δηµιουργούνται στιγµιαία απαιτήσεις για υψηλό εύρος ζώνης, δεν υπάρχει καλή χρησιµοποίηση του καναλιού κατά το πλείστο του χρόνου. Επίσης η κίνηση υπολογιστών δεν ανέχεται 3

4 σφάλµατα ούτε ελάχιστων δυαδικών ψηφίων ενώ η φωνή δεν χάνει την κατανοησιµότητά της ακόµη και µετά την αλλοίωση πολλών ψηφίων. Το υπάρχον τηλεφωνικό δίκτυο δηµιουργήθηκε κατά την διάρκεια του αιώνα και είναι προσανατολισµένο στις απαιτήσεις της φωνής και απλώς εξ' ανάγκης το αναλογικό δίκτυο χρησιµοποιήθηκε για µεταφορά δεδοµένων µε προσαρµογές µέσω συσκευών fax και κυρίως modem, δηλ. διαµορφωτών που µετέτρεπαν τα ψηφιακά σύµβολα σε ακουστικά σήµατα για να διαβιβασθούν µέσω της ζώνης που χρησιµοποιούσε η φωνή όπως (π.χ. modem V.11, V.56 κτλ). Βεβαίως και το ψηφιακό τηλέφωνικό δίκτυο που βασίζεται στην ψηφιακή ιεραρχία (SDH- Synchronous Digital Hierachy) που χρησιµοποιεί την τεχνική διαµόρφωσης κώδικα παλµών (PCM-Pulse Code Modulation) προσαρµόσθηκε στην µεταφορά πακέτων δεδοµένων. Τέλος, η τεχνική ADSL εφευρέθηκε για να χρησιµοποιηθούν τα εκατοµµύρια χιλιόµετρα χαρκού µε τα οποία είχαν στρωθεί οι πόλεις για να προσφέρουν πρόσβαση στο ιαδίκτυο (παράλληλα µε την τηλεφωνική υπηρεσία) οδηγώντας τα πακέτα στα σηµεία παρουσίας των παρόχων ιαδικτύου, παρακάµπτοντας το τηλεφωνικό δίκτυο. και ). Το τηλεφωνικό δίκτυο βασίζεται στην δηµιουργία ενός κυκλώµατος µεταξύ των συνοµιλητών µέσω του προγραµµατισµού κοµβικών διακοπτών δηλ. των τηλεφωνικών κέντρων (telephone exchanges) για την εγκατάσταση των αντίστοιχων συνδέσεων που θα δηµιουργήσουν το κύκλωµα. Η λειτουργία ενός τηλεπικοινωνιακού κόµβου που επιλέγει τη σωστή θύρα εξόδου στην οποία θα οδηγηθεί το σήµα κάποιας θύρας εισόδου για όσο χρονικό διάστηµα απαιτείται, νοµάζεται µεταγωγή (switching). Το κύκλωµα που δηµιουργείται απ άκρου εις άκρο στην παλιά τηλεφωνική τεχνολογία µετάδοσης και µεταγωγής ήταν κυριολεκτικό, δηλ. είχαµε ένα αγώγιµο χάλκινο µονοπάτι µεταξύ των συνδροµητών µέσω των αγωγών και των επαφέων των ρωστήρων επιλογής των κέντρων. Αργότερα προστέθηκαν φερέσυχνα, χρονοθυρίδες, ενισχυτές κτλ. που χάλασαν την κυριολεξία αλλά όχι και την ουσία της τεχνικής αφού πάλι το κανάλι που δηµιουργείται απ' άκρου εις άκρον της σύνδεσης είναι αποκλειστικά για την χρήση αυτής της σύνδεσης. Αυτό είναι το χαρακτηριστικό της τεχνικής µεταγωγής κυκλώµατος που προσφέρει την ποιοτική εξασφάλιση του εγγυηµένου και σταθερού εύρους ζώνης αλλά και την χαρακτηριστική σπατάλη διαχείρισης πόρων αφού όπως θα δούµε τα δίκτυα πακέτων καταφέρνουν να ικανοποιήσουν περισσότερες συνδέσεις µε τους ίδιους πόρους. Από την άλλη, είναι πολύ πιο δύσκολο µέχρι και αδύνατο να προσφέρουν ικανοποιητικές εγγυήσεις καθυστέρησης και παροχέτευσης (throughput) σε κάθε στιγµή πράγµα που το τηλεφωνικό δίκτυο προσφέρει από τις αρχές του αιώνα. Για την επικοινωνία υπολογιστών δηµιουργήθηκαν δίκτυα δεδοµένων στα οποία η χρήση των καναλιών είναι σε στατιστική βάση ενώ η πληροφορία είναι οργανωµένη σε ενότητες αποκαλούµενες πακέτα γι αυτό και αποκαλούνται δίκτυα πακέτων (packet networks). Ο λόγος είναι ότι τα πακέτα περιέχουν τη διεύθυνση προορισµού πράγµα που δεν µπορεί να γίνει µε την αναλογική φωνή και ως εκ τούτου µπορούν να αναγνωρίζονται ακόµη και όταν ανακατεύονται πακέτα πολλών χρηστών στο ίδιο κανάλο (πολύπλεξη). Αυτή η ιδιότητα επιτρέπει να µεταδίδονται από το ίδιο κανάλι µία το πακέτο ενός χρήστη και µία αυτό ενός άλλου κάνοντας αποδοτικότερη χρήση των ακριβών πόρων του δικτύου και ρίχνοντας σηµαντικά το κόστος επικοινωνίας. Έτσι, δεν δεσµεύονται κυκλώµατα είτε υπάρχει κίνηση είτε όχι, αλλά χρησιµοποιούνται κατ' απαίτηση (on demand). Στους κόµβους ενός τέτοιου δικτύου χρησιµοποιείται µία ουσιωδώς διαφορετική τεχνική µεταγωγής για την δροµολόγηση των πακέτων που αποκαλείται µεταγωγή πακέτων. Η επιτυχία των δικτύων πακέτων είναι τέτοια που τείνουν όλες οι υπηρεσίες ακόµη και της ζώσης φωνής να διαβιβάζονται µέσω της τεχνικής πακέτων αν και υπάρχουν κάποιοι περιορισµοί που δεν επιτρέπουν την επίτευξη της ίδιας ποιότητας. Ωστόσο οι εξελίξεις δείχνουν ότι στο µέλλον η πακετοποίηση της φωνής θα επεκταθεί και θα κυριαρχήσει στα δίκτυα ενοποιηµένων υπηρεσιών χάρις στην κυριαρχία του πρωτοκόλλου IP (voice over IP). 4

5 Παραδείγµατα χρησιµότητας της δικτύωσης υπολογιστών Γιατί όµως να µπει η ανθρωπότητα (και ο συνδροµητής) στα έξοδα και την προσπάθεια ανάπτυξης δικτύων δεδοµένων? Η ύπαρξη ενός δηµοσίου δικτύου ευρείας περιοχής (WAN) καθιστά δυνατές πολλές καινούργιες εφαρµογές που θα δηµιουργήσουν έσοδα πολλαπλάσια του κόστους τους όπως έγινε και µε τον τηλέγραφο και το τηλέφωνο. Μερικές απ' αυτές τις νέες εφαρµογές µπορούν να έχουν σηµαντικές επιδράσεις στην κοινωνία ως σύνολο. Η προσπέλαση σε αποµακρυσµένες βάσεις δεδοµένων, η εκ του µακρόθεν χρήση προγραµµάτων και ισχυρών υπολογιστών οδηγούν σε µια µεγάλη γκάµα νέων υπηρεσιών προστιθέµενης αξίας (value-added services) που ενέχουν τη δυναµική να µεταµορφώσουν την κοινωνία. Η οργάνωση της κοινωνίας πάντα απαιτούσε την τήρηση αρχείων από την εποχή της κατασκευής των Πυραµίδων. Κατάλογοι υλικών, κατασκευαστικά σχέδια, κατάλογοι εργατών και κατανοµή τους σε οµάδες εργασίας, χρόνο-προγραµµατισµός εργασιών, απαιτούµενα τρόφιµα, παραγγελίες, δελτία τροφοδοσίας κτλ. Όλα αυτά πρέπει να παρακολουθούνται και να ενηµερώνονται ώστε εγκαίρως να διαπιστώνονται ελλείψεις και να γίνονται διορθωτικές ενέργειες. Ο υπολογιστής επέτρεψε µια άνευ προηγουµένου βελτίωση των οργανωτικών και παραγωγικών δυνατοτήτων αυξάνοντας εκθετικά την αποτελεσµατικότητα και ταχύτητα διαχείρισης των σχετικών βάσεων δεδοµένων. Η τήρηση και διαχείριση αυτών των βάσεων πληροφοριών που καθιστούν εφικτή την οργάνωση δέχεται µε την δικτύωση µια νέα εκρηκτική αύξηση της αποτελεσµατικότητας. Έτσι είναι δυνατό να κάνει κανείς κρατήσεις σε αεροπλάνα, τραίνα, λεωφορεία, πλοία, ξενοδοχεία, εστιατόρια, θέατρα κ.τ.λ. από το σπίτι του, σε οποιοδήποτε σηµείο του κόσµου, και να έχει πρόσβαση σε ειδικευµένα αυτοµατοποιηµένα ενηµερωτικά δελτία. Μεγάλη αύξηση γνωρίζουν οι τραπεζικές συναλλαγές και αγορές µέσω υπολογιστή από το σπίτι. Πολλές από αυτές τις εργασίες θα απαιτούσαν µεσολάβηση πολλών ατόµων και καθυστέρηση πολλαπλάσια. Εταιρείες και υπηρεσίες µε τα εσωτερικά τους δίκτυα επιτυγχάνουν µεγάλη αύξηση της παραγωγικότητας. Π.χ. η αστυνοµία µπορεί να ελέγξει εν κινήσει εάν οι πινακίδες ενός οχήµατος περιέχονται στην λίστα όσων έχουν καταγγελθεί ως κλεµµένα. Αυτή η βάση ενηµερώνεται και προσπελάζεται κατά κατανεµηµένο τρόπο. Ήδη αεροπορικές εταιρείες διαθέτουν συστήµατα στο ιαδίκτυο τα οποία επιτρέπουν την επιλογή δυναµικά πτήσης ρυθµίζοντας την τιµή ανάλογα της ζήτησης εν είδει πλειστηριασµού. Η θέση κλείνεται και πληρώνεται χωρίς καµία µεσολάβηση ταξιδιωτικού πράκτορα.. Μια αντίστοιχη εξοικονόµηση προσπάθειας έφερε ο τηλέγραφος στα τέλη του 19ου αιώνα όταν επέτρεψε να δίνεται µια παραγγελία από µακριά απαλλάσσοντας τον χρήστη από την πολυδάπανη εναλλακτική λύση που ήταν ενδεχοµένως ένα πολύωρο ταξίδι ή µια πολυήµερη ανταλλαγή επιστολών φέρνοντας µια εξοικονόµηση πολλών εργατωρών και απίστευτη επιτάχυνση. Η τωρινή τεχνολογική επανάσταση που προέκυψε από τη συνένωση υπολογιστών και επικοινωνιών είναι συγκρίσιµη µε την βιοµηχανική επανάσταση ως προς τις κοινωνικές επιπτώσεις. Βρισκόµαστε ακόµη στην αρχή και οι εξελίξεις είναι ραγδαίες. Η διαθέσιµη τεχνολογία δεν έχει τύχει ακόµη πλήρους εκµετάλλευσης. Η ηλεκτρονική διάθεση εφηµερίδων, περιοδικών και επιστηµονικών εντύπων, η ηλεκτρονική προσπέλαση βιβλιοθηκών, έργων µουσικής, αρχείων βίντεο κλπ. τα οποία θα µπορεί να φέρνει και να διαβάζει ή να παίζει στο στέρεο και στο βίντεο του σπιτιού του ο καταναλωτής χωρίς να βγει από το δωµάτιό του έχουν ήδη επιτευχθεί αν και η ευρεία χρήση τους παρεµποδίζεται από την στενότητα εύρους ζώνης των παλιών δισύρµατων γραµµών τηλεφωνίας που φθάνουν στα σπίτια και που είχαν προβλεφθεί όταν έγιναν για την τηλεφωνία. Συστήµατα ψηφιακών γραµµών υψηλής ταχύτητος είναι διαθέσιµα αλλά η διάδοσή τους θα απαιτήσει τεράστια κεφάλαια και χρόνο. 5

6 Ήδη στις µεγάλες επιχειρήσεις που διαθέτουν οπτικές γραµµές πρόσβασης η τηλε-εργασία, η τηλε-διάσκεψη και η χρήση του ηλεκτρονικού ταχυδροµείου έχουν πάρει µεγάλη έκταση. Η απόκτηση των απαιτούµενων για την διεκπεραίωση των εργασιών στοιχείων π.χ. προτύπων της ITU, της IEEE, του ATM Forum και άλλων οργανισµών τυποποίησης γίνεται κατά κανόνα µέσω του Internet παρά µε χρονοβόρα παραγγελία έντυπων εκδόσεων. Μια άλλη δυνατότητα είναι η χρήση εκ του µακρόθεν εξαιρετικά ακριβού εξοπλισµού που δεν µπορεί να διαθέτει ο καθένας. Έστω µια εταιρεία, η οποία έχει αναπτύξει ένα µοντέλο προσοµοίωσης των µικροσκοπικών καιρικών συνθηκών µε βάση την µόνιµη γεωγραφική διαµόρφωση και τα καθηµερινά µακροσκοπικά στοιχεία της µετεωρολογικής υπηρεσίας. Αυτό το πρόγραµµα που τρέχει σε ένα πολύ ακριβό υπερ-υπολογιστή, µπορεί να προβλέπει τις ειδικές συνθήκες σε διάφορα ενδιαφέροντα σηµεία. Το πρόγραµµα αυτό επιτρέπει στους γεωργούς ή κατασκευαστές έργων που είναι συνδροµητές της να συνδέονται στο δίκτυο και να τρέχουν το πρόγραµµα για να δουν, πώς οι διάφοροι λεπτοµερείς συνθήκες στην περιοχή που τους ενδιαφέρει θα εξελιχθούν ώστε να προγραµµατίσουν τις εργασίες τους. Οι κυριότεροι λόγοι που κάνουν ασύµφορη την άµεση πώληση του προγράµµατος, είναι όταν το µοντέλο πρέπει να υφίσταται συνεχή προσαρµογή. και επίσης απαιτεί πολύ ισχυρούς παράλληλους υπολογιστές για να τρέξει. Η δικτύωση καθιστά δυνατή την πώληση αυτής της πολύπλοκης υπηρεσίας. Το παράδειγµα που αναφέραµε είναι πραγµατικό αν και σε πειραµατικό επίπεδο και λειτουργεί στην Grenoble της Γαλλίας. Πολύ συχνή είναι παρόµοια πρόσβαση σε πολύ ακριβά συστήµατα CAD/CAM σε εταιρείες µε πολλές εγκαταστάσεις όπως είναι οι αυτοκινητοβιοµηχανίες. Πολλές φορές οι εφαρµογές χρησιµοποιούν τη δικτύωση για οικονοµικούς λόγους: Το να καλέσει κανείς έναν αποµακρυσµένο υπολογιστή µέσω ενός δικτύου, κοστίζει φθηνότερα από το να τον καλέσει απευθείας ή να τον διαθέτει ο ίδιος. Το χαµηλότερο κόστος είναι δυνατό, διότι µια κανονική τηλεφωνική κλήση καταλαµβάνει ένα ακριβό, αποκλειστικά αφιερωµένο κύκλωµα για τη διάρκεια της κλήσης, ενώ η προσπέλαση µέσω ενός δικτύου καταλαµβάνει γραµµές µεγάλης απόστασης, µόνον όταν έχουµε πραγµατική µετάδοση δεδοµένων. Πολύ διαδεδοµένη χρήση των δικτύων δεδοµένων είναι και ως απλού επικοινωνιακού µέσου συµπληρωµατικού/ανταγωνιστικού του τηλεφώνου και του φαξ. Πολλοί πλέον µπορούν να στέλνουν το ταχυδροµείο τους στους συναδέλφους και φίλους τους µέσω των τερµατικών τους σε ολόκληρο τον κόσµο. Το 90% της αλληλογραφίας των Ευρωπαϊκών ερευνητικών προγραµµάτων διεξάγεται µέσω ηλεκτρονικού ταχυδροµείου. Στο µέλλον όλοι θα µπορούν να στέλνουν και να λαµβάνουν το ηλεκτρονικό τους ταχυδροµείο το οποίο θα είναι δυνατόν να περιέχει ψηφιοποιηµένη φωνή, στατικές εικόνες, αλλά και κινούµενες εικόνες τηλεόρασης και βίντεο. Οι βασικές συνιστώσες των τηλεπικοινωνιακών δικτύων Τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα είναι από τα πιο πολύπλοκα και εκτεταµένα ανθρώπινα κατασκευάσµατα και δεν είναι υπερβολή να θεωρούνται το αποκορύφωµα της τεχνολογικής εξέλιξης που έφερε την ανταλλαγή των ιδεών σε πρωτόγνωρα για την ανθρωπότητα επίπεδα. Για να δαµασθεί η πολυπλοκότητα του κατασκευάσµατος αυτού χρειάζεται η διάσπασή του στα δοµικά του στοιχεία και η µελέτη καθενός από αυτά προτού στραφεί κανείς στην συνολική λειτουργικότητα. Υπάρχουν διάφοροι τρόποι να γίνει αυτό αλλά η επικρατούσα είναι αυτή του προτύπου OSI.(Open Systems Interconnection). Η στρωµάτωση που προτείνει η αρχιτεκτονική OSI έχει σκοπό την ανάλυση του πολύπλοκου έργου της µελέτης και σχεδίασης των δικτύων τηλεπικοινωνιών σε µικρότερες επί µέρους ενότητες οι οποίες είναι ευκολότερο να µελετηθούν και περιορίζονται σε µικρό εύρος γνωστικών αντικειµένων. Είναι περισσότερο µία λογική κατάτµηση µε βάση τον διαχωρισµό λειτουργιών και πρωτοκόλλων και θα την ακολουθήσουµε στη οργάνωση της ύλης, εξετάζοντας τα 6

7 στρώµατα από κάτω προς τα επάνω. Ωστόσο είναι χρήσιµο πριν την λεπτοµερή εξέταση των πρωτοκόλλων ανά στρώµα, να δούµε και τις συνιστώσες ενός τηλεπικοινωνιακού δικτύου από µια άλλη σκοπιά διακρίνοντας κάποια υποσυστήµατα ανεξαρτήτως του πόσα στρώµατα υλοποιούνται µέσα σε αυτά. Θα δοθεί παράλληλα η ευκαιρία εξοικείωσης και µε τους βασικούς τηλεπικοινωνιακούς και συσκευές. Μία πολύ απλοποιηµένη αλλά τυπική άποψη ενός δικτύου φαίνεται στο σχήµα 1-1 που θα µπορούσαµε να την θεωρήσουµε το «δάσος» των τηλεπικοινωνιών σε αντίθεση µε τα επί µέρους «δένδρα» τα οποία θα µελετήσουµε στην συνέχεια µε σκοπό να κατανοήσουµε σε βάθος όσα λαµβάνουν χώρα στο δίκτυο. Την γενική αυτή εικόνα είναι καλό να την φέρνουµε πάντα στο νου µας όταν µελετούµε επί µέρους πρωτόκολλα για να αντιλαµβανόµεθα το συνολικό αποτέλεσµα και την χωροθέτηση της επενέργειας των λειτουργιών και των πρωτοκόλλων του κάθε δικτύου. Ένα λοιπόν επικοινωνιακό σύστηµα αποτελείται από τα εξής κύρια στοιχεία: Τερµατικές συσκευές (terminal equipment) π.χ. τηλέφωνα, τερµατικά χαρακτήρων, υπολογιστές κτλ. Ζεύξεις (links). Οι ζεύξεις παρέχουν κανάλια επικοινωνίας βασισµένα σε ενσύρµατα ή ασύρµατα, οπτικά ή ηλεκτρικά µέσα. Ενώνουν κόµβους µεταξύ τους καθώς και τερµατικά προς στους κόµβους. Στα δύο άκρα µιας ζεύξης βρίσκονται οι τερµατιστές της γραµµής που περιέχουν τους ποµποδέκτες που αποστέλλουν / λαµβάνουν το σήµα στη γραµµή. Η ζεύξη λοιπόν αποτελείται από δύο τερµατιστές και το µέσο µεταφοράς (σύρµα, οπτική ίνα, ή και απλά αέρα στην περίπτωση της ασύρµατης ή της δορυφορικής ζεύξης). Κόµβους (nodes) δηλ. µεταγωγείς (switches) ή δροµολογητές (routers) τηλεφωνικά κέντρα (telephone exchanges). Είναι τα σηµεία όπου επιλέγεται η διαδροµή του πακέτου. Στο γενική σχηµατική άποψη του σχήµατος 1-1 βλέπουµε τερµατικά που συνδέονται µέσω ζεύξεων προς τερµατιστές κόµβων. Οι µεταγωγείς επίσης διασυνδέονται µέσω ζεύξεων προς αλλήλους σχηµατίζοντας µια ποικιλία δυνατών διαδροµών. Τελικό αποτέλεσµα είναι να µπορούν να επικοινωνούν τα τερµατικά µεταξύ τους κατά οποιοδήποτε συνδυασµό επιθυµούν και συνήθως µε περισσότερες από µία δυνατές διαδροµές. Ας δούµε πιο προσεκτικά κάθε στοιχείο και πώς επιτυγχάνεται αυτό το αποτέλεσµα. Οι τερµατικές συσκευές (terminal equipment) ή απλά τερµατικά είναι οι πελάτες του δικτύου για χάρη της επικοινωνίας των οποίων υπάρχουν όλα τα υπόλοιπα στοιχεία. Φυσικά πίσω από τα τερµατικά βρίσκονται οι χρήστες (που συνήθως είναι άνθρωποι αλλά µπορεί να είναι και µηχανές π.χ. µία βάνα αγροτικού αντλιοστασίου, µια κάµερα ασφαλείας, ένας ελεγκτής κινητήρα εκτύλιξης τυµπάνου χαρτοποιίας ή ένα ροµπότ χειρισµών πυρηνικού αντιδραστήρα που δέχονται εντολές τηλεχειρισµού µέσω του δικτύου σαν τµήµα ανοιχτών ή κλειστών βρόχων ελέγχου. Φυσικά για να λειτουργήσουν σαν τερµατικά αυτές ή συσκευές πρέπει να διαθέτουν ενσωµατωµένους επεξεργαστές δηλαδή να λειτουργούν σαν υπολογιστές. Τα τερµατικά στο τηλεφωνικό δίκτυο είναι φυσικά οι τηλεφωνικές συσκευές (ενίοτε συσκευές φαξ) οι οποίες όµως µε την διάδοση του ιαδικτύου αρχίζουν να µοιάζουν εσωτερικά όλο και περισσότερο µε υπολογιστές. Στα δίκτυα του τηλεγράφου τα τερµατικά ήταν τα χειριστήρια των τηλεγραφητών. Στα παλιά δίκτυα ΤΕΛΕΞ τα τερµατικά είναι τηλέτυπα. Οι γνωστοί υπολογιστές γενικής χρήσεως είναι ωστόσο τα πιο συνηθισµένα τερµατικά στα δίκτυα δεδοµένων και συχνά µπροστά τους βρίσκεται ένας άνθρωπος χρήστης των υπηρεσιών του δικτύου. Τις πληροφορίες µπορεί να τις αντλεί από κάποια βάση δεδοµένων οπότε ο ανταποκριτής του δεν είναι ένας άλλος χρήστης όπως στην περίπτωση του τηλεφωνικού δικτύου (αν και συχνά πια και στην τηλεφωνία ο 7

8 ανταποκριτής είναι αυτόµατος τηλεφωνητής) αλλά ένας εξυπηρετητής (server), ο οποίος είναι το απέναντι τερµατικό. Στην αρχή δεν ήταν πολύ διακριτή η έννοια του τερµατικού και των τερµατιστών γραµµής (line terminators) δηλαδή των ποµπών και δεκτών των σηµάτων διότι στις πρώτες συσκευές τηλεφωνίας ή τηλεγραφίας τα εξαρτήµατα που δηµιουργούν το ηλεκτρικό σήµα από τον ήχο (τερµατικό) και αυτά που το αποστέλλουν (τερµατιστής γραµµής) ταυτίζονται. Όµως όταν χρησιµοποιούνται πολύπλοκες τεχνικές διαµόρφωσης σήµατος (όπως στην περίπτωση της σύνδεσης πολλών τηλεφωνικών γραµµών από ένα ζεύγος ή των modem δεδοµένων) τότε η διάκριση είναι ευχερέστερη διότι χρησιµοποιούνται χωριστά κουτιά. Σε ένα τοπικό δίκτυο υπολογιστών το τερµατικό είναι ο υπολογιστής και ο τερµατιστής γραµµής είναι µέσα στην κάρτα δικτύου. Το τερµατικό τρέχει την εφαρµογή ενώ ο τερµατιστής ανταλλάσσει τα σήµατα δηλαδή περιέχει τον ποµποδέκτης. M K L A B C D E F Σχήµα 1-1 Συµβολική πανοραµική άποψη ενός τυπικού δικτύου υπολογιστών Σαν µέσο µετάδοσης που ενώνει τους δύο (ή περισσότερους) τερµατιστές γραµµής χρησιµοποιείται µεγάλη ποικιλία ενσύρµατων και ασύρµατων λύσεων. Από τα στριµµένα χάλκινα ζεύγη, τα οµοαξονικά καλώδια και τις οπτικές ίνες µέχρι τις µικροκυµατικές, τις υπέρυθρες και τις δορυφορικές ζεύξεις. Οι ζεύξεις διακρίνονται σε τρεις τοπολογικούς τύπους: σηµείου-πρός-σηµείο (point-to-point), σηµείου-προς-πολλαπλά-σηµεία (point-to-multipoint) και πολλαπλών-σηµείων-προς-πολλαπλά-σηµεία (multipoint-to-multipoint). Η πρώτη κατηγορία συνδέει δύο απέναντι τερµατιστές και είναι η πιο συνήθης (π.χ. τηλεφωνία, δίκτυο Χ.25 κτλ.). 8

9 Στην δεύτερη ένας τερµατιστής έχει κεντρικό ρόλο και ό,τι στέλνει πηγαίνει σε όλους (όπως στο ραδιόφωνο και τη δορυφορική τηλεόραση που είναι µονόδροµες µορφές επικοινωνίας), ενώ εάν έχουµε αµφίδροµη δυνατότητα, οι εκποµπές των άλλων πηγαίνουν µόνο στον κεντρικό. Αυτή η τελευταία είναι η περίπτωση σε δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης µε αµφίδροµα µόντεµ για πρόσβαση σε δικτυακές υπηρεσίες. Τέλος στην τρίτη κάθε τερµατιστής έχει τη δυνατότητα να στείλει σε οποιοδήποτε άλλο. Παράδειγµα το τοπικό δίκτυο Ethernet. Το τρίτο βασικό στοιχείο ενός δικτύου και αυτό που το χαρακτηρίζει είναι οι µεταγωγείς. Εάν θέλαµε µόνο µε ζεύξεις να συνδέσουµε όλα τα τερµατικά θα έπρεπε να κατασκευάσουµε τόσες ζεύξεις όσοι είναι οι δυνατοί συνδυασµοί τερµατικών ανά δύο. Θα ήταν αδύνατο να φεύγουν από το κάθε σπίτι 700 εκατοµµύρια ζεύγη που να καταλήγουν σε κάθε υπάρχουσα τηλεφωνική συσκευή! Αλλά και αν ήταν δυνατό να εγκατασταθούν τόσα σύρµατα φαντασθείτε την περιπέτεια να βρει κανείς το ζευγάρι που καταλήγει στο ξενοδοχείο που καταλύει η κόρη του που µόλις βρέθηκε για διακοπές στην Κύπρο ή την Αυστραλία. Το πρόβληµα της διασύνδεσης των τερµατικών καθ όλους τους δυνατούς τρόπους έλυσαν οι µεταγωγείς (switches) που στο τηλεφωνικό δίκτυο λέγονται τηλεφωνικά κέντρα ενώ στο ιαδίκτυο δροµολογητές (routers). Ο γενικός όρος είναι τηλεπικοινωνιακός κόµβος ή κόµβοι δικτύου (nodes). Οι µεταγωγείς συνδέουν κατ εντολήν τα τερµατικά πότε µε το ένα και πότε µε το άλλο οπουδήποτε και να βρίσκονται αυτά. Το σχήµα 1-2 απεικονίζει µε απλοποιηµένο τρόπο την αρχή λειτουργίας ενός ιστορικά σηµαντικού τύπου µεταγωγέα που χρησιµοποιήθηκε πολύ και εξακολουθεί να αποτελεί το µηχανικό ισοδύναµο και νεότερων ηλεκτρονικών µεταγωγέων. Στο σχήµα 1-2 ανάλογα ποιος διακόπτης θα κλείσει συνδέεται η αντίστοιχη είσοδος µε την αντίστοιχη έξοδο. 8x8 Σχήµα 1-2 Μεταγωγέας 8X8 ραβδεπαφικού τύπου (crossbar switch) Κάθε µεταγωγέας έχει ένα αριθµό πυλών εισόδου και εξόδου (I/O ports). Οι πόρτες εισόδου τροφοδοτούνται από τερµατιστές γραµµής λήψεως (δέκτες σήµατος) και αυτές εξόδου τροφοδοτούν τερµατιστές γραµµής εκποµπής που είναι µέρος ζεύξεων που συνδέουν τις θύρες µε θύρες άλλων κόµβων ή µε τερµατικά. Εσωτερικά ο µεταγωγέας διαθέτει ένα πυρήνα ή ιστό 9

10 µεταγωγής (switching fabric) ο οποίος έχει τη δυνατότητα να διοχετεύει υπό τον έλεγχο προγράµµατος τα πακέτα που εισέρχονται σε κάθε είσοδο σε οποιαδήποτε επιθυµητή έξοδο. ηλαδή µπορεί να αλλάζει δυναµικά τις διασυνδέσεις εισόδων / εξόδων ανάλογα µε τις επιταγές του συστήµατος ελέγχου του που δεν είναι τίποτα άλλο από ένας υπολογιστής. Οι συνδέσεις δηµιουργούνται στιγµιαία σύµφωνα µε τις ανάγκες του επικοινωνιακού δικτύου και µε βάση όχι ένα προκαθορισµένο στατικό τρόπο αλλά εντολές που προκαλούνται από τις πληροφορίες που περιέχονται στα ίδια τα πακέτα που εισέρχονται από τις πόρτες του κόµβου. Οι µεταγωγείς έχουν πολύ πιο πολύπλοκη δοµή λειτουργίας από τη σχηµατική µορφή που δείχνει το σχήµα 1-2 αλλά υλοποιούν τελικά την ίδια λειτουργία: την επιλογή συνδυασµών εισόδου/εξόδου. Στην περίπτωση της µεταγωγής πακέτων πρέπει ωστόσο να το κάνουν σε πολύ µεγαλύτερη ταχύτητα αφού ένα κύκλωµα αλλάζει κάθε λίγα ή πολλά δευτερόλεπτα, ενώ από ένα πακέτο που κατευθύνεται σε µια έξοδο µέχρι το επόµενο που πρέπει να οδηγηθεί σε µια άλλη περνούν µόλις λίγα χιλιοστά ή και εκατοµµυριοστά του δευτερολέπτου! Βεβαίως µε την εισαγωγή της πολύπλεξης χρόνου στην τηλεφωνία µε τα συστήµατα PCM (pulse code modulation) και η µεταγωγή κυκλώµατος λειτουργεί σε πολύ υψηλές ταχύτητες αλλά µια διαφορά που παραµένει είναι ο στατιστικός χαρακτήρας της µεταγωγής πακέτων έναντι της χρονικής περιοδικότητας της πολύπλεξης στο PCM. Τύποι ικτύων -Τεχνικές Μεταγωγής Τα δίκτυα χαρακτηρίζονται από το τρόπο οργάνωσης της αποστελλόµενης πληροφορίας και από την µέθοδο µεταγωγής. ύο είναι οι κυρίαρχες τεχνικές όπως ήδη ανεφέρθη: η µεταγωγή κυκλώµατος και η µεταγωγή πακέτων. Υφίστανται ωστόσο και υβριδικές µορφές αυτών των δύο όπως η τεχνική νοητών κυκλωµάτων.. Ας δούµε συνοπτικά τις βασικές αρχές λειτουργίας αυτών των δύο τύπων δικτύου. Όπως είδαµε, όταν δηµιουργείται µια τηλεφωνική σύνδεση, ο εξοπλισµός µεταγωγής µέσα στο τηλεφωνικό σύστηµα αποκαθιστά ένα φυσικό αγώγιµο µονοπάτι που διατρέχει όλη την διαδροµή από το τηλέφωνο του καλούντος στο τηλέφωνο του καλουµένου. Εξ ού και η ονοµασία της τεχνικής αυτής «µεταγωγή κυκλώµατος» (Circuit Switching). Όταν µια κλήση περνά µέσω ενός µεταγωγικού κέντρου αποκαθίσταται µια σύνδεση µεταξύ της γραµµής εισόδου στον µεταγωγέα και µιας από τις εξερχόµενες γραµµές που διαρκεί για όσο χρόνο διαρκεί η κλήση. Φυσικά τµήµατα του "χάλκινου" µονοπατιού µεταξύ των δύο τηλεφώνων µπορεί να είναι στην πραγµατικότητα µικροκυµατικές ζεύξεις στις οποίες πολυπλέκονται χιλιάδες κλήσεων ή οπτικές ζεύξεις µερισµού χρόνου (PCM) που έχουν διαθέσει µία χρονοθυρίδα στην εν λόγω κλήση. Ωστόσο η βασική αρχή της µεταγωγής κυκλώµατος είναι η ανάγκη να σχηµατισθεί ένα µονοπάτι µεταξύ των άκρων και πριν από κάθε αποστολή δεδοµένων που θα συνεχίσει να υφίσταται µέχρις ότου τερµατιστεί η κλήση. Ένα δεύτερο εξίσου σηµαντικό χαρακτηριστικό είναι ότι το εύρος ζώνης που διατίθεται σ αυτή τη σύνδεση είναι σταθερό και αποκλειστικής χρήσης. Ο χρόνος που παρέρχεται µεταξύ του τέλους της επιλογής και της αρχής του κουδουνίσµατος µπορεί να είναι 10 sec, ή και περισσότερο σε µακρές αποστάσεις ή διεθνείς κλήσεις. Κατά την διάρκεια αυτού του χρονικού διαστήµατος, το τηλεφωνικό σύστηµα αποκαθιστά αυτό το µονοπάτι. Σηµειωτέον ότι προτού αρχίσει η µετάδοση της φωνής ή των δεδοµένων, το σήµα αίτησης κλήσης πρέπει να διανύσει όλη την διαδροµή µέχρι τον προορισµό του και να επιβεβαιωθεί. Για πολλές υπολογιστικές εφαρµογές π.χ. τραπεζικές µηχανές αυτόµατου ταµείου ΑΤΜ (Automatic Teller Machines) µεγάλοι χρόνοι για την εγκατάσταση της κλήσης είναι ανεπιθύµητοι. Από την στιγµή που η εγκατάσταση της κλήσης ολοκληρώθηκε, η µόνη καθυστέρηση για τα δεδοµένα είναι ο χρόνος διάδοσης του ηλεκτροµαγνητικού σήµατος, περίπου 5nsec/m. Επίσης µια συνέπεια του αποκλειστικού µονοπατιού είναι ότι δεν υπάρχει κίνδυνος συµφόρησης, δηλ. όταν η σύνδεση έχει 10

11 αποκατασταθεί η ονοµαστική διατεθείσα επικοινωνιακή ικανότητα είναι πάντα και σταθερά διαθέσιµη. Αν υπάρχει κάποιο πρόβληµα συµφόρησης αυτό θα εκδηλωθεί και πιθανώς θα αποτρέψει την εκγατάσταση της σύνδεσης και ποτέ κατά την διάρκεια της σύνδεσης. Ας έλθουµε τώρα στην τεχνική µεταγωγής πακέτων (Packet Switching). Όταν χρησιµοποιείται αυτός ο τύπος µεταγωγής, δεν εγκαθίσταται προκαταβολικά κανένα φυσικό ή νοητό µονοπάτι µεταξύ ποµπού και δέκτη. Αντίθετα, κάθε φορά που ο ποµπός έχει να στείλει ένα τµήµα δεδοµένων το προωθεί στον πρώτο κόµβο µεταγωγής όπου αποθηκεύεται προσωρινά για να προωθηθεί κατόπιν µε άλµατα από κόµβο σε κόµβο. Κάθε τµήµα πρέπει να διαθέτει αρκετά στοιχεία για τον τελικό προορισµό αφού δεν ακολουθεί ένα µονοπάτι µε µοναδική κατάληξη αλλά περνά από κοινόχρηστα κανάλια όπου περνούν και άλλα πακέτα που πιθανόν να έχουν κοινή µόνο µία ή λίγες ζεύξεις. Το πακέτο αυτό των δεδοµένων λαµβάνεται ολόκληρο, εξετάζεται για τυχόν λάθη και τότε αναµεταδίδεται. Το δίκτυο που µεταχειρίζεται αυτήν την τακτική ονοµάζεται δίκτυο αποθήκευσης και προώθησης (store-and-forward) και πιο κοινό παράδειγµα είναι το ιαδίκτυο (Internet). Το µεγάλο πλεονέκτηµα της µεταγωγής πακέτων είναι η πολύπλεξη (multiplexing) κίνησης δηλαδή η δυνατότητα διαβίβασης των δεδοµένων πολλών συνδέσεων µέσα από το ίδιο κανάλι µετάδοσης. Υπάρχουν ωστόσο και µειονεκτήµατα κυρίως στην εξασφάλιση εγγυήσεων για τις παρεχόµενες υπηρεσίες. Το πρόβληµα ξεκινά από την δυσκολία εκτίµησης της κίνησης που θα εµφανισθεί µε αποτέλεσµα να είναι σηµαντικές οι πιθανότητες συµφόρησης και υπερχείλισης των ταµιευτήρων των κόµβων κατά την διάρκεια ζωής µιας συνεδρίας. Το µέγιστο µέγεθος πακέτου παίζει σηµαντικό ρόλο. Εάν δεν υπάρχει όριο για το µέγεθος τότε οι κόµβοι πρέπει να έχουν µεγάλες µνήµες για να αποθηκεύουν µεγάλα πακέτα. Αυτό επίσης σηµαίνει ότι ένα πολύ µεγάλο πακέτο µπορεί να µονοπωλήσει την εργασία µιας γραµµής µεταξύ κόµβων για πολλά δευτερόλεπτα, καθιστώντας αδύνατες πολλές απαιτητικές εφαρµογές πραγµατικού χρόνου. (Τα δίκτυα που δεν έχουν ανώτερο όριο χαρακτηρίζονται σαν δίκτυα µεταγωγής µηνύµατος. Ένα ακόµη προσόν της µεταγωγής πακέτου έναντι της µεταγωγής µηνύµατος είναι το ότι το πρώτο πακέτο ενός µηνύµατος πολλών πακέτων µπορεί να προωθηθεί προτού το δεύτερο φτάσει πλήρως µειώνοντας την καθυστέρηση και αυξάνοντας την παροχέτευση (throughput)). Η σηµασία της πολύπλεξης πακέτων Όπως ανεφέρθη, η πολύπλεξη επιτρέπει την διαδοχική διαβίβαση τµηµάτων πληροφορίας (πακέτων) µια του ενός χρήστη και µια κάποιου άλλου από τον ίδιο ποµπό µέσο στο ίδιο κανάλι µιας ζεύξης. Η έννοια της πολύπλεξης µπορεί να παρασταθεί κατά παραστατικό τρόπο όπως φαίνεται αριστερά στο σχήµα 1-3 όπου κίνηση από πολλούς σωλήνες εισόδου διοχετεύεται σε ένα σωλήνα εξόδου. Στο δεξί µέρος της εικόνας βλέπουµε πώς συµβολίζεται ο πολυπλέκτης στα σχέδια των δικτύων. Με την πολύπλεξη δίνεται η δυνατότητα σε πολλούς χρήστες να χρησιµοποιούν «ταυτόχρονα» ένα κανάλι χωρίς να µπορεί να το «αγκαζάρει» κανείς τους για αποκλειστική του χρήση. Βεβαίως επειδή τελικά κάθε πακέτο πληροφορίας πρέπει να φτάσει σε διαφορετικό προορισµό ακολουθεί στο άλλο άκρο η απο-πολύπλεξη µε την οποία ξανά ξεχωρίζουν τα πακέτα κάθε χρήστη. Αυτή γίνεται αυτόµατα στον επόµενο µεταγωγέα αφού κάθε πακέτο προωθείται προς διαφορετική έξοδο. Βεβαίως µέσα στην επόµενη ζεύξη προς τον επόµενο µεταγωγέα το πακέτο θα ξανα-πολυπλεχθεί µε άλλα πακέτα που έχουν ίδιο ενδιάµεσο προορισµό και να ξανα-αποπολυπλεχθούν πάλι αργότερα. Εάν το άκρο της ζεύξης είναι ένα τοπικό υποκατάστηµα µε πολλά τερµατικά, η αποπολύπλεξη µπορεί να πραγµατοποιηθεί και µέσα στο τοπικό δίκτυο. Ο λόγος που (κατ αντίθεση στα συµβαίνοντα στα δίκτυα πακέτων) στο τηλεφωνικό δίκτυο είµαστε υποχρεωµένοι να δεσµεύουµε ένα κανάλι όσο διαρκεί η κλήση µας και να το απελευθερώνουµε µόλις κατεβάσουµε το ακουστικό, είναι η έλλειψη διεύθυνσης προορισµού 11

12 µέσα στην πληροφορία του χρήστη. ηλαδή δεν ήταν δυνατό να βρει η (σε ηλεκτρονική µορφή) φωνή µας το δρόµο της αφού δεν κουβαλάει στοιχεία του επιθυµητού προορισµού αλλά βασίζεται στο ότι η διαδροµή έχει ήδη προετοιµαστεί κατά την αρχική φάση της επιλογής αριθµού (dialling). Αντίθετα στα δίκτυα πακέτων αυτό είναι δυνατόν αφού η µεταγωγή των πακέτων βασίζεται στις διευθύνσεις προέλευσης και προορισµού που έχουν προστεθεί στην αρχή κάθε πακέτου µαζί µε άλλες πληροφορίες ελέγχου πρωτοκόλλων µπροστα από τις πληροφορίες του χρήστη. Έτσι ο κόµβος µεταγωγής δεν χρειάζεται να τηρεί στοιχεία κατάστασης της σύνδεσης (stateless operation). Κάθε πακέτο είναι µία αυτοτελής οντότητα και ουδεµία σύγχυση µπορεί να υπάρξει ανάµεσα στα πακέτα των διαφόρων ροών παρότι έρχονται από την ίδια γραµµή και µπαίνουν στον µεταγωγέα από τον ίδιο τερµατιστή γραµµής. Αυτή η πολύπλεξη της πληροφορίας µέσα στις ζεύξεις και γενικά στην όλη ακριβή υποδοµή του δικτύου οδηγεί σε πολύ χαµηλότερο κόστος για τα δίκτυα πακέτων. Σχήµα 1-3: Η πολύπλεξη πακέτων σχηµατικά Για να γίνει κατανοητή η οικονοµία που προσφέρει η πολύπλεξη επειδή επιτρέπει να δίδεται η χρήση των πανάκριβων πόρων του δικτύου µέσα σε κλάσµατα του δευτερολέπτου από τον ένα χρήστη στον άλλο µπορούµε να την παροµοιάσουµε µε το µερισµό της χρήσης ενός αυτοκινητόδροµου από οδηγό σε οδηγό καθώς κάθε αυτοκίνητο περνά κατευθυνόµενο στον προορισµό του χωρίς να πρέπει να δεσµεύσουµε κάποια λουρίδα για το δικό µας αυτοκίνητο. Η πολύπλεξη αποτελεί το µεγάλο ατού των δικτύων πακέτων που οδήγησε στην τεράστια διάδοσή τους. Ένα άλλο σηµαντικό χαρακτηριστικό της πολύπλεξης πακέτων είναι ο στατιστικός χαρακτήρας της δηλαδή το ότι δεν ξέρουµε πόσα πακέτα θα εµφανισθούν να ζητήσουν διοχέτευση σε µια ζεύξη ούτε πόσο θα κρατήσει η εξυπηρέτηση κάθε πακέτου. Το τελευταίο εξαρτάται από το µήκος του που είναι µεταβλητό αλλά πάντως έχει ένα ανώτατο όριο. Υπάρχουν πάντως και δίκτυα µε σταθερό µήκος πακέτου π.χ. το δίκτυο ΑΤΜ που χρησιµοποιεί πακέτα µήκους 53 byte. Σηµείωση: Βεβαίως πολύπλεξη υπάρχει και στα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος αλλά είναι ηµιστατική και αυστηρά περιοδική (κρατώντας τον στατιστικό χαρακτήρα σε µεγαλύτερη κλίµακα χρόνου της τάξεως της διάρκειας κλήσεων). Μεταξύ δύο κόµβων µεταγωγής κυκλώµατος και µεταξύ δύο συγκεκριµένων πυλών π.χ. µεταξύ δύο τηλεφωνικών κέντρων στη Λαµία και στην 12

13 Λάρισα πρέπει να µπορούν να περάσουν πολλές ταυτόχρονες τηλεφωνικές κλήσεις. Αυτό κάποτε σήµαινε πολλά παράλληλα καλώδια. Εδώ και χρόνια αναπτύχθηκαν τεχνικές που µπορούν να πολυπλέξουν πολλές ταυτόχρονες κλήσεις στο ίδιο µέσο (ζευγάρι ή οµοαξονικό). Αυτό γίνεται είτε µε πολύπλεξη συχνότητας όπου δηλαδή κάθε κανάλι διαµορφώνει διαφορετική φέρουσα συχνότητα, είτε µε πολύπλεξη χρόνου όπου κάθε κανάλι καταλαµβάνει µια περιοδική χρονοθυρίδα (time slot) όπως στο PCM. Αυτό που γίνεται στο PCM είναι ότι στέλνουµε ένα bit ενός καναλιού, έπειτα ένα του δεύτερου καναλιού κτλ., µέχρι που ξαναγυρίζουµε και στέλνουµε το δεύτερο bit του δεύτερου, το δεύτερο του τρίτου κτλ. Αυτό προϋποθέτει ότι διαθέτουµε ψηφιακά ηλεκτρονικά εκποµπής-λήψης τόσες φορές πιο γρήγορα από κάθε κανάλι ξεχωριστά όσα τα κανάλια που πολυπλέκονται. Έτσι ο ρυθµός (bit rate) της γραµµής εξόδου που φέρει το πολυπλεγµένο σήµα πρέπει να είναι τόσο πιο υψηλός όσο το γινόµενο του ρυθµού των πολυπλεκόµενων καναλιών επί το πλήθος των καναλιών. Έτσι το bit κάθε καναλιού έχει τόσο µεγαλύτερη διάρκεια στις γραµµές εισόδου ώστε µέχρι να κάνουµε το γύρο και να έλθουµε πάλι στο ίδιο κανάλι, µόλις να τελειώνει το bit και να αρχίζει το επόµενο. Πάντως µια σηµαντική διαφορά παραµένει: παρότι έχουµε πολλά κανάλια µεταξύ δύο κέντρων και είναι δυνατόν να περάσουν περισσότερες κλήσεις όταν εξαντληθούν, τότε η επόµενη κλήση θα βρει τη γραµµή κατειληµµένη. εν συµβαίνει αυτό στην πολύπλεξη πακέτων όπου εάν τα εισερχόµενα πακέτα βρίσκουν µια γραµµή εξόδου κατειληµµένη από κάποιο άλλο πακέτο που εκείνη τη στιγµή µεταδίδεται, τοποθετούνται σε προσωρινό ελαστικό ταµιευτήρα µέχρι να έλθει η σειρά τους. Αυτό βέβαια έχει την παρενέργεια ότι εάν συνεχίσουν να φθάνουν πολλά πακέτα για µια έξοδο ώστε να µην προλαβαίνουν να διαβιβασθούν και γεµίσει ο ταµιευτήρας, τότε θα χαθούν πράγµα που δεν µπορεί να συµβεί στα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος. Βέβαια όπως θα δούµε τα πρωτόκολλα στα τερµατικά έχουν τρόπους να ανακαλύψουν τις απώλειες και να αναµεταδώσουν τα χαµένα πακέτα, ωστόσο πολύτιµος χρόνος έχει χαθεί. Παράµετροι επιδόσεων των δικτύων Για την αξιολόγηση των δικτύων όπως κάθε τεχνικό προϊόν χρησιµοποιούµε κάποια µεγέθη που ποσοτικοποιούν το πόσο καλά εκτελούν τη δουλειά τους και ανταποκρίνονται στις ανάγκες των χρηστών. Τα κριτήρια πρέπει να είναι τέτοια που να µετρούνται σχετικά εύκολα και να δίνουν γρήγορα εικόνα της αποτελεσµατικότητας του δικτύου. Οι κυριότερες παράµετροι που χαρακτηρίζουν την επίδοση ενός τηλεπικοινωνιακού δικτύου είναι: η παροχέτευση (throughput) η καθυστέρηση (delay), η διακύµανση καθυστέρησης (delay variation or jitter), ο ρυθµός (ή η συχνότητα) λαθών σε bit που συνήθως αναφέρεται ως BER (bit error rate). Συλλογικά όλα αυτά τα χαρακτηριστικά ενός δικτύου αποκαλούνται ποιότητα υπηρεσίας QoS (Quality of Service). Η παροχέτευση (throughput) µας λέει πόση κίνηση περνά από τη µια άκρη στην άλλη ανά µονάδα χρόνου και µετριέται σε bits/sec. εν πρέπει να συγχέεται µε την ονοµαστική ρυθµοδότηση (bit rate) ενός καναλιού ή µιας ζεύξης που αλλιώς λέγεται και χωρητικότητα (capacity) της ζεύξης παρότι χρησιµοποιούν τις ίδιες µονάδες. Η διαφορά είναι ότι η ρυθµοδότηση ορίζεται από τον ρυθµό λειτουργίας των ποµποδεκτών (που πρέπει φυσικά να µην είναι ανώτερος από αυτόν που µπορεί να διαβιβάσει το µέσο µετάδοσης) και είναι η µέγιστη δυνατότητα της ζεύξης, ενώ η παροχέτευση αναφέρεται στη πραγµατική ποσότητα πληροφορίας που πέρασε στην διάρκεια κάποιας παρατήρησης. 13

14 Για να χρησιµοποιήσουµε µια υδραυλική αναλογία, µπορεί ένα αρδευτικό κανάλι να έχει τη δυνατότητα διαβίβασης 40 κυβικών νερού την ώρα αλλά κάποια µέρα που βάλαµε όργανα µετρήσεων βρήκαµε ότι διαδιβάζονταν µόνο 12 κυβικά την ώρα κατά µέσο όρο. Ο λόγος µπορεί να ήταν ότι δεν ζητήθηκε πολύ νερό για πότισµα ή δεν υπήρχε αρκετό νερό στο φράγµα ή ότι έχουν πέσει ξύλα και διάφορα εµπόδια ή ότι υπάρχουν διαρροές ή όλα αυτά µαζί. Το ίδιο και σε µία ζεύξη η παροχέτευση µπορεί να υστερεί του ρυθµού της ζεύξης (φυσικά δεν µπορεί ποτέ να τον ξεπερνά) για διάφορους λόγους. Επειδή ωστόσο τα bits δεν µπορούν να αποστέλλονται µε διαφορετικό ρυθµό από το σταθερό ρυθµό των ποµποδεκτών, ή χαµηλότερη παροχέτευση οφείλεται πάντα σε αποστολή µη ωφέλιµων στο χρήστη πληροφοριών, δηλαδή κάποια από τα αποστελλόµενα bits έχουν άλλη χρήση ή είναι άχρηστα. Αυτό µπορεί να οφείλεται π.χ. ότι δεν έχει τίποτα να στείλει κανένας χρήστης όπως συµβαίνει κατά κανόνα τη νύχτα σε τοπικές ζεύξεις. Τότε οι ποµποδέκτες στέλνουν συνεχώς κάποια προκαθορισµένη ακολουθία για να κρατούνται σε συγχρονισµό και ετοιµότητα. Σε ζεύξεις πολλαπλών-σηµείων-σε-σηµείο σοβαρός λόγος που κρατά την παροχέτευση σε χαµηλό ποσοστό του µέγιστου ρυθµού είναι η δυσκολία καθορισµού ποιος ποµπός θα στείλει κάθε στιγµή. Το ενδιαφέρον αυτό πρόβληµα θα αναλύσουµε στο κεφάλαιο των τοπικών δικτύων. Ένας άλλος λόγος είναι ότι τµήµα των πακέτων όπως π.χ. οι διευθύνσεις οι κωδικοί ανίχνευσης λαθών και άλλα στοιχεία των πρωτοκόλλων δεν είναι περιεχόµενο που στέλνει ο χρήστης αλλά αναγκαίο «απόβαρο» όπως σε ένα φορτηγό όπου η µηχανή και η καρότσα µεταφέρονται αναγκαστικά αλλά στην ουσία το αγώγι για το οποίο πληρώνει ο πελάτης είναι µέσα στην καρότσα και καθόλου δεν τον ενδιαφέρει αν η µεταφορά των 1500 κιλών που ζήτησε γίνεται µε αγροτικό δύο τόνων ή φορτηγό 10 τόνων. Οµοίως και στα δίκτυα είναι ασύµφορο να συνδέσουµε ένα σπίτι µε µια οπτική ζεύξη των 155Mbit/sec που χρησιµοποιείται ανάµεσα σε πόλεις ή χώρες. εν είναι τυχαίο ότι µιλάµε και στα δίκτυα για «ωφέλιµο φορτίο» που είναι αυτό που ζητά να µεταφέρει η εφαρµογή και για απόβαρο (overhead) που είναι αναγκαίο για τη λειτουργία του δικτύου. Υπάρχει επίσης η ανάγκη να διαθέτει η ζεύξη και περίσσεια ρυθµοδότησης για τις ώρες αιχµής αφού ο επικοινωνιακός φόρτος είναι στατιστικό µέγεθος. Επί τη ευκαιρία αξίζει να αναφερθεί ότι ο λόγος της παροχέτευσης προς την χωρητικότητα ονοµάζεται χρησιµοποίηση (utilization) ή απόδοση (efficiency) ενός καναλιού ή µιας ζεύξης. Για παροχέτευση και χρησιµοποίηση µιλάµε και στο συνολικό δίκτυο, όχι µόνο στη ζεύξη. Στην περίπτωση αυτή πρέπει να αναφερόµαστε σε κάποια διαδροµή µέσω του δικτύου και ορίζουµε σαν ονοµαστική ρυθµοδότηση του καναλιού αναφοράς το µέγιστο ρυθµό που µπορεί θεωρητικά να επιτευχθεί µέσω της διαδροµής. Αυτός είναι ο µικρότερος ρυθµός των διαδοχικών ζεύξεων και των µεταγωγέων που το απαρτίζουν. ( Σηµ. Επειδή ο ρυθµός δια µέσου µεταγωγέων πακέτων είναι στατιστικό µέγεθος που εξαρτάται ισχυρά από τον φόρτο, για τον ορισµό της ονοµαστικής ρυθµοδότησης χρησιµοποιούµε την ικανότητα του µεταγωγέα υπό µηδενικό φορτίο, δηλαδή όταν όλοι οι ταµιευτήρες του είναι άδειοι και τα πακέτα προωθούνται αµέσως στον ποµπό του τερµατιστή εξόδου). ηλαδή µία τέτοια διαδροµή χαρακτηρίζεται από το πιο στενό σηµείο της το οποίο αποκαλείται στενωπός ή πιο γραφικά «λαιµός της µπουκάλας» (bottle-neck). Επί παραδείγµατι εάν περνάµε από µια τηλεφωνική γραµµή των 56kbit/sec και µετά από µια ζεύξη 10Mbit/sec) πράγµα συχνό στην πράξη, δεν µπορούµε να ελπίζουµε ποτέ ότι θα ξεπεράσουµε τα 56kbit/sec απ άκρου εις άκρο. Το ίδιο στην διαδροµή Φάληρο - Οµόνοια δεν έχει σηµασία πόσα αυτοκίνητα το λεπτό περνάνε στη Συγγρού αλλά πόσα στην Αµαλίας και την Πανεπιστηµίου. Επίσης ας ορίσουµε και την έννοια του προσφερόµενου φόρτου κίνησης (offered load) που είναι η τηλεπικοινωνιακή κίνηση της οποίας ζητείται η µεταφορά µέσω του δικτύου. Ο φόρτος µπορεί 14

15 να είναι µεγαλύτερος (το δίκτυο δεν µπορεί να ανταποκριθεί και έχουµε απώλειες) ίσος ή µικρότερος του ονοµαστικού ρυθµού. Επίσης µπορεί να είναι ίσος µε την παροχέτευση (το δίκτυο µπορεί να ανταποκριθεί) ή µεγαλύτερος (δεν µπορεί να ανταποκριθεί) αλλά προφανώς δεν µπορεί να είναι µικρότερος της παροχέτευσης. H καθυστέρηση µετ επιστροφής (round trip delay) είναι ο χρόνος που απαιτείται για να πάει µία µονάδα δεδοµένων σε ένα προορισµό και να γυρίσει πίσω µια απάντηση ή επιβεβαίωση (acknowledgment). Ως εκ του τρόπου λειτουργίας των δικτύων που χαρακτηρίζεται από διαλογικές αµφιδροµικές ανταλλαγές πληροφοριών µεταξύ οντοτήτων που εκτελούν πρωτόκολλα, ακόµη και αν ο χρήστης ζητά µονόδροµη επικοινωνία, η καθυστέρηση µετ επιστροφής είναι η κυρίαρχη παράµετρος. Αναλύεται στις εξής συνιστώσες: τον χρόνο µετάδοσης, τον χρόνο διάδοσης, τον χρόνο επεξεργασίας και τον χρόνο αναµονής στις ουρές των ενδιάµεσων κόµβων. Ο χρόνος διάδοσης (propagation delay) είναι ο χρόνος που απαιτείται για να ταξιδέψει το ηλεκτροµαγνητικό ή οπτικό κύµα στο µέσο διάδοσης και που είναι περίπου είναι 5ns/m. Είναι µια σταθερά µε την οποία πρέπει να µάθουµε να ζούµε, καθόσον δεν υπάρχουν τεχνικά µέσα να την επηρεάσουµε όπως συµβαίνει µε τις άλλες συνιστώσες. Η τιµή της δεν διαφέρει σηµαντικά από µέσο σε µέσο διάδοσης. Το αντίστροφο του χρόνου διάδοσης, η ταχύτητα διάδοσης, είναι περίπου 200km/msec (συγκρίνατε προς την ταχύτητα του φωτός στο κενό που είναι 300km/msec). Ο χρόνος διάδοσης παίρνει σηµαντικές τιµές στις δορυφορικές ζεύξεις (λίγα δευτερόλεπτα) πράγµα αισθητό στις τηλεοπτικές ανταποκρίσεις όπου η απάντηση του ανταποκριτή είναι διακριτά καθυστερηµένη. Ο χρόνος µετάδοσης (transmission delay) είναι κάτι πολύ διαφορετικό και άµεσα εξαρτώµενο από την χρησιµοποιούµενη τεχνολογία η οποία έχει δώσει τεράστιες βελτιώσεις τα τελευταία χρόνια. Είναι ο χρόνος που απαιτείται για να αλλάξει η διαµόρφωση του ποµπού τόσες φορές όσες χρειάζονται για να εισαχθεί η ποσότητα πληροφορίας στο µέσο διάδοσης. ηλαδή σε µία ζεύξη 64kb/s για να µεταδοθούν bits χρειάζεται ένα δευτερόλεπτο. Περισσότερο διερευνούµε τη µετάδοση πιο κάτω όταν παρουσιάζεται ο ρυθµός baud. Η καθυστέρηση επεξεργασίας (processing delay) είναι ο χρόνος που απαιτείται σε κάθε σταθµό και κόµβο του δικτύου για την ανάγνωση των πληροφοριών την εκτέλεση των πρωτοκόλλων και την προετοιµασία των νέων πεδίων για την απόκριση. Μπορεί να ελαττωθεί µε ισχυρότερους υπολογιστές και καλύτερους αλγορίθµους και είναι µια παράµετρος που συνεχώς βελτιώνεται. Ο χρόνος αναµονής (queuing delay) είναι ο χρόνος που το πακέτο βρίσκεται στους ταµιευτήρες περιµένοντας την µετάδοσή του στην επόµενη ζεύξη στο δρόµο προς τον προορισµό του. Ο χρόνος αυτός είναι αµελητέος σε δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος, αλλά στα δίκτυα πακέτων µπορεί να πάρει µεγάλες τιµές και συχνά είναι µε διαφορά η µεγαλύτερη συνιστώσα της συνολικής καθυστέρησης. Μάλιστα παρουσιάζει µεγάλες διακυµάνσεις ανάλογα µε την κατάσταση του δικτύου από πλευράς φόρτου. Το πόσα πακέτα θα βρεθούν να πρέπει να φύγουν από την ίδια έξοδο και να βρεθούν να καθυστερούν περιµένουν τη σειρά τους για να πολυπλεγούν, είναι ένα καθαρά στατιστικό µέγεθος και πολύ δύσκολο να προβλεφθεί. Ένας ειδικός κλάδος των µαθηµατικών Η θεωρία ουρών αναµονής προσπαθεί να δώσει λύσεις σε µερικές σχετικά εύκολες περιπτώσεις, αλλά συνήθως το πρόβληµα είναι πολύ δύσκολο για να αντιµετωπισθεί αναλυτικά και η εξοµοίωση µε υπολογιστή είναι η µόνη διέξοδος για προσεγγιστική αντιµετώπιση. Η διακύµανση της καθυστέρησης (delay variation or packet jitter) είναι η διαφορά της καθυστέρησης µεταξύ διαφόρων πακέτων που κάνουν την ίδια διαδροµή σε διαφορετικές στιγµές και άρα µε διαφορετικές συνθήκες δικτύου. Η κύρια αιτία της διακύµανσης είναι οι 15

16 στατιστικές διαφορές στον φόρτο του δικτύου. Σε συνθήκες χαµηλού φορτίου η διακύµανση είναι ασήµαντη ενώ σε υψηλά ανταγωνιστικά φορτία µπορεί να πάρει µεγάλες τιµές. ηµιουργεί µεγάλα προβλήµατα σε κάποιους τύπους υπηρεσιών πραγµατικού χρόνου όπως είναι η φωνή, και το ζωντανό βίντεο. Ο ρυθµός λαθών (bit error rate = BER) είναι λόγος του πλήθους των bit που µεταδίδονται λανθασµένα δια του συνόλου των µεταδιδόµενων bit. Σε χάλκινα µέσα παίρνουν τιµές 10-5 µε 10-6 δηλαδή ένα bit κάθε ή ηλαδή ο ρυθµός λαθών µας δίνει την πιθανότητα να φθάσει ένα bit λάθος. Η πιθανότητα να ληφθεί σωστά ένα πακέτο που αποτελείται από N bits είναι ίση µε την πιθανότητα να φθάσουν όλα σωστά δηλαδή (1-BER) N. O ρυθµός λαθών πακέτων (PER (Packet Error Rate) είναι PER=1-(1-BER) N. Στην συνήθη περίπτωση που το BER είναι πολύ µικρότερο της µονάδος (πάντα συµβαίνει στην πράξη διότι αλλιώς η ζεύξη είναι άχρηστη) τότε µόνο οι δύο πρώτοι όροι του διωνύµου (1-BER) N είναι σηµαντικοί και η τιµή του προσεγγίζεται από το 1-N(BER) οπότε το PER προσεγγίζεται από το: PER=N(BER). Αυτά όλα ισχύουν υπό την παραδοχή ότι η πιθανότητα λάθους ενός bit είναι ανεξάρτητη από την πιθανότητα λάθους σε ένα άλλο. Η παραδοχή αυτή ισχύει µόνο για τον λευκό θόρυβο ενώ ο κρουστικός θόρυβος (που οφείλεται σε ηλεκτρικές εκκενώσεις από διακόπτες ή κεραυνούς) διαφθείρει οµάδες από bits. Προφανώς εάν ίσχυε ότι ο θόρυβος διαφθείρει όλα τα bit ενός πακέτου θα είχαµε PER=BER. Στην πράξη η προσέγγιση PER=N(BER) είναι πολύ κοντά στην πραγµατικότητα. 16

17 Σχήµα 1-4: Απλά είδη διαµόρφωσης όπου κάθε σύµβολο κωδικοποιεί ένα bit. Baud rate και bit rate Όπως ανεφέρθη, ο ποµπός, για κάθε σύµβολο που στέλνει στο κανάλι, αλλάζει κάποια παράµετρο στο σήµα, π.χ. τη στάθµη, τη συχνότητα, τη φάση ή και συνδυασµούς αυτών κτλ Στο σχήµα 1-4 βλέπουµε τους τέσσερις απλούστερους τρόπους διαµόρφωσης,: (a) ιαµόρφωση στάθµης ή NRZ (Non-Return-to-Zero) που χρησιµοποιείται κυρίως σε οπτικές ζεύξεις και στους εσωτερικούς διαδρόµους των συσκευών (b) ιαµόρφωση πλάτους (c) ιαµόρφωση συχνότητος (d) ιαµόρφωση φάσης Κάθε αλλαγή οριοθετεί ένα σύµβολο το οποίο περιέχει ένα ή περισσότερα bit πληροφορίας. Κάθε νέο σύµβολο αρχίζει αµέσως να διαδίδεται στο µέσο (αέρας, οπτική ίνα, ή χάλκινο καλώδιο) προς τον προορισµό του µε ταχύτητα περίπου 200km/msec. ηλαδή για να µεταδοθεί η πληροφορία πρέπει αυτή να µετατραπεί σε σύµβολα που έχουν συµφωνηθεί µεταξύ ποµπού και δέκτη. π.χ. το σύµβολο που απαρτίζεται από 4 κύκλους ηµιτόνου 800Hz σηµαίνουν λογικό 1 17

18 ενώ 6 κύκλοι 1200Hz σηµαίνουν λογικό 0 (Αυτή του τύπου η διαµόρφωση λέγεται FSK=Frequency Shift Keying δηλαδή κλείδωµα µεταλλαγής συχνότητας). Προσέξατε ότι η διάρκεια του κάθε συµβόλου είναι 5msec. Άρα η ταχύτητα εκποµπή συµβόλων από τον ταµιευτήρα στο µέσο είναι 1 σύµβολο ανά 5msec δηλαδή 200 σύµβολα ανά δευτερόλεπτο, διότι για να µεταδοθεί το κάθε σύµβολο απαιτείται ο ποµπός να εκπέµπει σήµα της αντίστοιχης συχνότητας για διάρκεια ενός λογικού συµβόλου. Ο ρυθµός αυτός αποκαλείται ρυθµός baud (baud rate). Στο συγκεκριµένο παράδειγµα κάθε σύµβολο κωδικοποιεί ένα bit και κατά συνέπεια το baud rate είναι ίσο µε το bit rate δηλαδή 200bit/sec. Αυτό δεν ισχύει πάντα. Π.χ. Όταν χρησιµοποιείται διαµόρφωση τύπου QPSK (Quadrature Phase Shift Keying δηλ. τετραδικό κλείδωµα µεταλλαγής φάσεως) τότε διαθέτουµε 4 σύµβολα έκαστο των οποίων κωδικοποιεί 2 bit µε αποτέλεσµα εκπέµποντας µε baud rate 200 να εκπέµπουµε 400bit/sec. Με ένα µόντεµ που χρησιµοποιεί διαµόρφωση 256QAM σύνηθες πλέον σε δίκτυα καλωδιακής τηλεόρασης, κάθε σύµβολο κωδικοποιεί ένα byte και µε ρυθµό 5Mbaud µπορούµε να στείλουµε 40Mbps (Mega bits per second). Ας υποθέσουµε ότι χρησιµοποιούµε ένα σύστηµα όπου το λογικό 1 είναι µία τάση από 3 έως 14V για 1msec και το λογικό 0 µια τάση -3 έως -14V για ίδιο χρόνο (Αυτή η διαµόρφωση αποκαλείται άνευ επιστροφής στο µηδέν (NRZ=Non-Return to Zero). Ο ρυθµός αποστολής είναι 1000 σύµβολα το δευτερόλεπτο ίσος µε 1Kbps. Για να αυξήσουµε την ταχύτητα αποστολής και άρα την δυνατότητα ή αλλιώς το εύρος ζώνης του καναλιού (capacity or bandwidth) πρέπει να στέλνουµε τα σύµβολα πιο γρήγορα. µε ρυθµό σύµβολα το δευτ. θα επιτύχουµε επικοινωνία µε ταχύτητα 1Μbps. Αυτό απαιτεί πιο γρήγορα ηλεκτρονικά κυκλώµατα στον ποµπό και δέκτη που να αλλάζουν πιο γρήγορα την διαµόρφωση αλλά και να µην µπερδεύουν τα σύµβολα τώρα που τους δίνουν πολύ λιγότερο χρόνο να διακρίνουν µε την δειγµατοληψία το ένα σύµβολο από το άλλο. Πράγµατι τα ηλεκτρονικά έχουν βελτιωθεί εξαιρετικά αλλά ακόµη περισσότερο τα οπτικά εξαρτήµατα µε αποτέλεσµα να είναι δυνατοί ρυθµοί gigabit αλλά και terabit ανα δευτερόλεπτο. Όταν πρώτη περίπτωση στέλναµε ένα bit (ίσο µε 1 σύµβολο) κάθε 1ms δηλαδή µε 1000bps, όταν ο ποµπός αρχίζει το δεύτερο bit το αρχικό µέτωπο του πρώτου έχει ήδη διαδοθεί και έχει φθάσει σε απόσταση 200km. Εάν έχουµε µια ζεύξη 200 χιλιοµέτρων ποτέ δεν βρίσκονται περισσότερα από ένα bit ταυτόχρονα στο δίκτυο. Εάν χρησιµοποιούµε ωστόσο µια σύγχρονη εµπορική οπτική ζεύξη των 10gigabit/sec τότε το µήκος ενός bit καταλαµβάνει τόσο µήκος όσο διαδίδεται το κύµα σε 0.1nanosec δηλ. 0.02m και εποµένως σε όλα τα 200km της ζεύξης βρίσκονται 20 εκατοµµύρια bits! Εάν µεταδίδουµε πακέτα µε µέσο µήκος bits (ένα τυπικό µέγεθος) η ζεύξη λειτουργεί και σαν ταµιευτήρας των 2000 πακέτων! ηλαδή ο απέναντι σταθµός θα λάβει το πρώτο πακέτο όταν θα έχουµε ήδη µεταδώσει 2000 πακέτα. Αυτό το γεγονός έχει µεγάλη επίπτωση στον τρόπο λειτουργίας και σχεδίασης γρήγορων δικτύων. Αξίζει να αναφέρουµε µια αναλογία από την υδραυλική. Εάν έχουµε ένα λάστιχο κήπου µικρής διαµέτρου πρέπει να εισέλθει νερό ας πούµε 1 λίτρου προτού αρχίσει να τρέχει από την άλλη πλευρά, αντίστοιχα σε ένα κεντρικό αποχετευτικό αγωγό θα πρέπει να εισέλθουν πολλά κυβικά νερό που ανάλογα µε το µήκος του µπορεί να φθάνουν τα εκατοµµύρια πριν φανεί κάτι στην άλλη άκρη. Γι αυτό συνήθης είναι ο γραφικός µεταφορικός χαρακτηρισµός των ζεύξεων υψηλής ταχύτητας σαν big fat pipes. 18

19 Επίπεδα, πρωτόκολλα και υπηρεσίες δικτύων Για αντιµετώπιση της πολυπλοκότητας και του µεγάλου αριθµού ειδικοτήτων (ηλεκτρονικών, προγραµµατιστών, µελετητών κίνησης κτλ.) που απαιτούνται για τη µελέτη και τη σχεδίαση των δικτύων, ακολουθείται κατά την προδιαγραφή τους µια αρχιτεκτονική οργανωµένη σε µια στοίβα από στρώµατα ή επίπεδα (layers ή levels), που το καθένα κτίζεται πάνω στο προηγούµενό του. Παρ ότι το πλήθος των στρωµάτων και ο βαθµός συµµόρφωσης προς τους βασικούς κανόνες διαφέρει στην πράξη από δίκτυο σε δίκτυο, η γενικότερη φιλοσοφία παραµένει η ίδια και είναι ο τεµαχισµός ενός τεράστιου έργου σε διακριτά µικρότερα µε σαφή και κατά το δυνατόν απλά σηµεία οριοθέτησης. Σε όλα τα δίκτυα ο σκοπός κάθε επιπέδου είναι να προσφέρει συγκεκριµένες υπηρεσίες στα υψηλότερα επίπεδα, αποµονώνοντας και αποκρύπτοντας από αυτά τα επίπεδα τις λεπτοµέρειες σχετικά µε το πώς πραγµατικά υλοποιούνται οι παρεχόµενες υπηρεσίες (αρχή της απόκρυψης πληροφορίας). Τη µεθοδολογία αυτή ήλθε να προτυποποιήσει µε συνεπή και αυστηρό τρόπο το πρότυπο OSI που προτάθηκε από την ISO (International Standards Organization). Περισσότερες λεπτοµέρειες δίδονται στο Παράρτηµα «Α», αλλά εδώ θα αναφερθούν οι βασικές αρχές οι οποίες αποτελούν και µια καλή µεθοδολογία οργάνωσης της µελέτης των δικτύων. Το πρότυπο αυτό καθορίζει κατά γενικό τρόπο την αρχιτεκτονική στρωµάτωσης (layered architecture) µε στόχο τη δηµιουργία «ανοικτών συστηµάτων» που επιτρέπουν την σύνδεση µέσω ενός επικοινωνιακού δικτύου υπολογιστών διαφορετικών κατασκευαστών και µε διαφορετικά λειτουργικά συστήµατα. Αυτό σηµαίνει και ο όρος ανοικτό σύστηµα, δηλ. ανοικτό σε κάθε κατασκευαστή που θα σχεδιάσει σύµφωνα µε το πρότυπο µέσω της τήρησης κοινών προδιαγραφών διεπαφών ανεξαρτήτως των διαφορών της εσωτερικής υλοποίησης. Ο όρος βρίσκεται σε αντίθεση µε τις ιδιόκτητες (proprietary) λύσεις που µπορεί να έχει ένας µεγάλος κατασκευαστής του οποίου όλα τα µέρη έχουν σχεδιαστεί συµβατά µεταξύ τους αλλά όχι και µεταξύ των διαφόρων κατασκευαστών. Πασίγνωστο ανοικτό σύστηµα είναι το τηλεφωνικό δίκτυο. Το ότι µπορούµε να αγοράσουµε µια τηλεφωνική συσκευή οποιασδήποτε µάρκας και να την συνδέσουµε στην πρίζα βέβαιοι ότι λειτουργεί µε µια άλλη συσκευή σε άλλη χώρα δεν είναι µια σύµπτωση αλλά αποτέλεσµα της διεθνούς τυποποίησης που επέβαλε η ITU (International Telecommunications Union) πρώην CCITT, υπηρεσία του ΟΗΕ. Το πρότυπο OSI περιγραφεί τη γενική ιδέα της στρωµάτωσης (layering) καθώς και τις έννοιες της υπηρεσίας (service) και του πρωτοκόλλου (protocol). Η στρωµάτωση είναι µια µέθοδος χωρισµού της πολύπλοκης αρχιτεκτονικής του δικτύου σε µικρότερα µέρη που απαιτούν από τους µελετητές τους µικρότερη γκάµα γνωστικών αντικειµένων εις τρόπον ώστε να είναι δυνατή η εµβάθυνση στο κάθε ειδικό αντικείµενο. Π.χ. Η µελέτη του κατώτερου στρώµατος (φυσικού µέσου) απαιτεί γνώση αναλογικών ηλεκτρονικών, δειγµατοληψίας, διαµόρφωσης (modulation), µετάδοσης (transmission), ελέγχου θορύβων, κεραιών (εάν έχουµε ασύρµατο µέσο) κτλ. Η µελέτη του ανώτερου στρώµατος καλή γνώση λογισµικού εφαρµογών και ελάχιστη γνώση δικτύων αφού η εφαρµογή µπορεί να εργάζεται και εκτός δικτύου. Το τρίτο στρώµα απαιτεί καλή γνώση τεχνικών δροµολόγησης που µπορεί να βασίζεται σε ειδικό λογισµικό είτε σε γρήγορα ψηφιακά ηλεκτρονικά ή σε συνδυασµό των δύο. Αξίζει να σηµειωθεί ότι οι γενικές αρχές του OSI έχουν αξία και για την οργάνωση γενικότερων κατανεµηµένων εφαρµογών (distributed applications) πληροφορικής.. Ανάµεσα σε κάθε ζεύγος γειτονικών επιπέδων υπάρχει µια διεπαφή (interface) η οποία καθορίζει ποιες πρωτογενείς λειτουργίες και υπηρεσίες προσφέρει το ένα επίπεδο στο άλλο που βρίσκεται από πάνω του. Ένα από τα πιο σηµαντικά θέµατα είναι ο καθορισµός ξεκάθαρων διεπαφών ανάµεσα στα επίπεδα καθώς και ο καθορισµός ενός συγκεκριµένου συνόλου καλά κατανοητών λειτουργιών που απαιτείται να εκτελεί το κάθε επίπεδο. Εκτός από την ελαχιστοποίηση του ποσού της πληροφορίας, που πρέπει να περνά µεταξύ των επιπέδων, οι ξεκάθαρες οριοθετήσεις 19

20 κάνουν απλούστερη την αντικατάσταση της υλοποίησης ενός επιπέδου µε µια άλλη εντελώς διαφορετική υλοποίηση (π.χ. όταν οι επίγειες τηλεφωνικές γραµµές αντικαθίστανται από δορυφορικά κανάλια), επειδή αυτό το οποίο απαιτείται από τη νέα υλοποίηση είναι να προσφέρει ακριβώς το ίδιο σύνολο υπηρεσιών προς το αµέσως υψηλότερο επίπεδο µ' αυτό της παλιάς υλοποίησης. Το σύνολο των επιπέδων και πρωτοκόλλων ονοµάζεται αρχιτεκτονική δικτύου (network architecture). Οι προδιαγραφές της αρχιτεκτονικής θα πρέπει να περιέχουν αρκετές πληροφορίες, ώστε να επιτρέπουν σ' έναν κατασκευαστή να γράψει το πρόγραµµα ή να κατασκευάσει το υλικό κάθε επιπέδου, έτσι ώστε αυτό να υπακούει σωστά στο κατάλληλο πρωτόκολλο. Ούτε οι λεπτοµέρειες της υλοποίησης ούτε οι προδιαγραφές των οριοθετήσεων αποτελούν τµήµα της αρχιτεκτονικής, διότι αυτά είναι κρυµµένα στο εσωτερικό των µηχανηµάτων και δεν είναι ορατά από την εξωτερική πλευρά. Επίσης δεν είναι ούτε καν αναγκαίο οι διεπαφές όλων των µηχανηµάτων ενός δικτύου να είναι οι ίδιες µε την προϋπόθεση ότι κάθε µηχάνηµα µπορεί να χρησιµοποιήσει σωστά όλα τα πρωτόκολλα. Τα στρώµατα σύµφωνα µε το πρότυπο OSI Το σχήµα 1-5 δείχνει τα επτά στρώµατα σύµφωνα µε το πρότυπο OSI. Ας δούµε σε γενικές γραµµές ποιες είναι οι σηµαντικότερες λειτουργίες κάθε στρώµατος αρχίζοντας από το ανώτερο. Το στρώµα εφαρµογής περιλαµβάνει τις διαδικασίες εφαρµογής που τρέχουν στον υπολογιστή και δηµιουργούν την ανάγκη ανταλλαγής πληροφοριών. Περιλαµβάνει το λογισµικό εφαρµογής π.χ. την τήρηση και προσπέλαση µιας βάσης δεδοµένων. Το στρώµα εφαρµογής παρέχει ένα πλαίσιο για την οργάνωση των εφαρµογών που ορίζουν το περιβάλλον του χρήστη. Είναι το αδρότερα προδιαγεγραµµένο από τα 7 στρώµατα. Αποτελείται από µία συλλογή γενικών εφαρµογών πάνω στις οποίες µπορούν να αναπτυχθούν νέες ειδικές εφαρµογές, όπως Virtual Terminal, FTAM, MHS (Message Handling Systems) Π.χ. X.400. κλπ. Το στρώµα εφαρµογής παρέχει υπηρεσίες κατευθείαν στον χρήστη και όχι σε άλλο στρώµα. Το στρώµα παρουσίασης ασχολείται µε τη συντακτική µορφή των δεδοµένων. Έχει σαν κύριο ρόλο να παρουσιάζει τα δεδοµένα σε µορφή αναγνωρίσιµη και από την αποστέλλουσα και από την λαµβάνουσα συσκευή. Αυτό δεν είναι προφανές δεδοµένου ότι οι µέθοδοι κωδικοποίησης των δεδοµένων παρουσιάζουν µεγάλη ποικιλία. Π.χ. ASCII έναντι EDCDIC, ο χαρακτήρας τέλους γραµµής (CR, LF) δεν είναι ίδιος στα διάφορα λειτουργικά συστήµατα κλπ.. Στο στρώµα αυτό ανήκει και η κρυπτογράφηση όταν απαιτείται. Η σηµαντικότερη σχετική µε το OSI προδιαγραφή που αναφέρεται σε το αυτό το στρώµα είναι το ASN.1 (Abstract Syntax Notation.1) Το στρώµα συνόδου αναλαµβάνει την οργάνωση του διαλόγου των συσκευών δηλ. ρυθµίζει την ροή ανάλογα µε τον χαρακτήρα της επικοινωνίας ως ταυτόχρονα αµφίδροµης (full duplex) ή ηµι-αµφίδροµης (half-duplex), ή απλά µονόδροµης (simplex). Μία άλλη λειτουργία είναι ο συγχρονισµός µε την δηµιουργία σηµείων που διαχωρίζουν λογικές ενότητες των δεδοµένων (π.χ. σελίδες ενός εγγράφου, ή των στοιχείων των πωλήσεων κάθε υποκαταστήµατος). Σηµεία ελέγχου µπορούν να χρησιµοποιούνται για την ανάκαµψη από διακοπή της επικοινωνίας µε επανάληψη της εκποµπής από το τελευταίο σηµείο ελέγχου που είχε ολοκληρωµένη µετάδοση. Σε δίκτυα που δεν ακολουθούν αυστηρά την αρχιτεκτονική OSI πολλές φορές τα στρώµατα 5 και 6 µπορεί να ελλείπουν και κάποιες λειτουργίες τους να ενσωµατώνονται στο στρώµα εφαρµογής. Το στρώµα µεταφοράς έχει σαν ρόλο την παροχή αξιόπιστης ανταλλαγής των δεδοµένων µεταξύ των επικοινωνουσών διαδικασιών των τερµατικών συσκευών (υπολογιστών). Εξασφαλίζει ότι τα δεδοµένα είναι απαλλαγµένα λαθών, στη σωστή σειρά, χωρίς απώλειες και επαναλήψεις. Παρότι το στρώµα ζεύξης µπορεί να έχει κάνει διόρθωση λαθών, έχουν 20