Κεφάλαιο 11 Εισαγωγή στα τοπικά δίκτυα υψηλών επιδόσεων

Transcript

1 Κεφάλαιο 11 Εισαγωγή στα τοπικά δίκτυα υψηλών επιδόσεων Μάθηµα 11.1: Μάθηµα 11.2: Μάθηµα 11.3: Γενικά στοιχεία Αρχιτεκτονική Ενδοδίκτυα Ανακεφαλαίωση Ερωτήσεις

2 Επιµέλεια : Αθανάσιος Ι. Μάργαρης (amarg@uom.gr) 120 Ερώτηση 1 η : Πότε ένα τοπικό δίκτυο ονοµάζεται δίκτυο υψηλών επιδόσεων? Απάντηση : Ένα τοπικό δίκτυο χαρακτηρίζεται ως δίκτυο υψηλών επιδόσεων (high speed local area network), όταν οι ταχύτητες µεταφοράς δεδοµένων που υποστηρίζει, επιτρέπουν τη χρήση του σε εφαρµογές πραγµατικού χρόνου (real time applications) καθώς και σε περιπτώσεις όπου απαιτούνται υψηλοί ρυθµοί µετάδοσης, όπως συµβαίνει για παράδειγµα κατά τη µεταφορά αρχείων video των οποίων το µέγεθος είναι πάρα πολύ µεγάλο. Αυτός ο ταχύτατος ρυθµός µετάδοσης, θα πρέπει να χαρακτηρίζεται επίσης από υψηλή ποιότητα µεταφοράς δεδοµένων, και ασφαλώς από όσο το δυνατόν µικρότερο αριθµό σφαλµάτων. Σε πιο λεπτοµερή περιγραφή, τα δίκτυα αυτού του είδους, χαρακτηρίζονται από ταχύτητες της τάξης των 100 Mbps και 1 Gbps, ενώ ως µέσα µετάδοσης µπορούν να χρησιµοποιηθούν τόσο οµοαξονικά και συνεστραµµένα καλώδια, όσο και οπτικές ίνες. Τέλος όσον αφορά το πρωτόκολλο επικοινωνίας, αυτό µπορεί να στηρίζεται τόσο στο CSMA/CD π.χ. στην περίπτωση του Fast Ethernet όσο και στη χρήση του κουπονιού διέλευσης (token passing) όπως συµβαίνει για παράδειγµα στην περίπτωση των FDDI I & II. Ερώτηση 2 η : Ποιες είναι οι κυριότερες χρήσεις των δικτύων υ- ψηλών επιδόσεων? Απάντηση : Τα δίκτυα υψηλών επιδόσεων χρησιµοποιούνται κατά κύριο λόγο σε εφαρµογές µετάδοσης φωνής, εικόνας και δεδοµένων σε πραγµατικό χρόνο. Τέτοιες εφαρµογές είναι για παράδειγµα η τηλεδιάσκεψη και η µεταφορά αρχείων video από ένα υπολογιστή σε ένα άλλο, διαδικασίες, οι οποίες αν και προχωρούν σε συµπίεση των δεδοµένων πριν την αποστολή τους, εν τούτοις χαρακτηρίζονται από υψηλές απαιτήσεις σε αξιοπιστία και εύρος ζώνης. Εάν αυτού του είδους οι εφαρµογές εκτελεστούν σε ένα δίκτυο µικρών επιδόσεων, θα παρουσιάσουν πάρα πολλά προβλήµατα, όπως για παράδειγµα µεγάλη καθυστέρηση µεταφοράς αρχείων, και φτωχή ποιότητα video και ήχου, µε αποτέλεσµα πρακτικά να είναι άχρηστες. Σε αυτές τις περιπτώσεις απαιτείται ένα τοπικό δίκτυο υψηλών επιδόσεων µε ταχύτητες της τάξης των 100 ή 1000 Mbps. Μία άλλη σηµαντική εφαρµογή των τοπικών δικτύων υψηλών επιδόσεων, είναι η χρήση τους ως δίκτυα κορµού (backbone networks), για τη διασύνδεση ετερογενών τοπικών δικτύων, µε διαφορετικούς ρυθµούς µετάδοσης. Τα διασυνδεόµενα τοπικά δίκτυα σε αυτ ή την περίπτωση, µπορεί να είναι χαµηλότερων, ίσων ή και υψηλότερων επιδόσεων, από τα δίκτυα κορµού. Τέλος, τα τοπικά δίκτυα υψηλών επιδόσεων, µπορεί να χρησιµοποιηθούν για τη λειτουργία ενός ενδοδικτύου (intranet), το οποίο είναι ένα τοπικό δίκτυο, που βασίζεται στα πρότυπα λειτουργίας του ιαδικτύου.

3 Μετάδοση δεδοµένων & ίκτυα Υπολογιστών (Τόµος ΙΙ) 121 Ερώτηση 3 η : Τι είναι ένα ενδοδίκτυο (intranet) Απάντηση : Ένα ενδοδίκτυο (intranet) δεν είναι τίποτε άλλο από ένα τοπικό δίκτυο υπολογιστών, το οποίο όµω ς λειτουργεί σύµφωνα µε τα πρότυπα επικοινωνίας του παγκόσµιο υ διαδικτύου ( Internet), και τα πρότυπα περιεχοµένων του παγκόσµιου ιστού (world wide web). Για το λόγο αυτό τα εργαλεία ανάπτυξης ενός ενδοδικτύου είναι παρ ό µοια µ ε εκείνα που χρησιµοποιούνται για την ανάπτυξη ε- φαρµογών του ιαδικτύου και του παγκόσµιου ιστού. Η βασική διαφορά τους έγκειται στο γεγονός ότι στα ενδοδίκτυα, η πρόσβαση στις πληροφορίες γίνεται εσωτερικά, δηλαδή στο χώρο µιας επιχείρησης ή ενός οργανισµού. Τα πιο σηµαντικά από τα χαρακτηριστικά των ενδοδικτύων, είναι τα ακόλουθα : Επιτρέπουν τη γρήγορη ανάπτυξη των εφαρµογών λόγω της χρήσης γνωστών τεχνικών για τις οποίες υπάρχει ανεπτυγµένη τεχνογνωσία. Μπορούν εύκολα να επεκταθούν ανάλογα µε τις ανάγκες του οργανισµού Χαρακτηρίζονται από τη δυνατότητα της εύκολης πρόσβασης, πλοήγησης και χρησιµοποίησης των πληροφοριών που περιέχουν. Είναι προσπελάσιµα από όλα τα διαδεδοµένα υπολογιστικά συστήµατα. ίνουν τη δυνατότητα της κατανεµηµένης επεξεργασίας των πληροφοριών στο τοπικό δίκτυο ενός οργανισµού Μπορούν να ενσωµατώσουν εύκολα τις υπάρχουσες πηγές πληροφοριών ενός οργανισµού. Υποστηρίζουν τη διακίνηση πολλών τύπων πληροφορίας, όπως ήχου, video, αλληλεπιδραστικών εφαρµογών, κλπ. Τα βασικά πλεονεκτήµατα των ενδοδικτύων, είναι το µικρό κόστος ανάπτυξης και παράδοσης, η εύκολη εγκατάσταση, χρήση και συντήρησή τους, η δυνατότητα συνεργασίας µε παραδοσιακές εφαρµογές και βάσεις δεδοµένων, και η ανοικτή αρχιτεκτονική τους, η οποία τα καθιστά ανεξάρτητα από τις λύσεις του κάθε συγκεκριµένου κατασκευαστή. Ερώτηση 4 η : Τι φυσικά µέσα µετάδοσης χρησιµοποιούνται στα τοπικά δίκτυα υψηλών επιδόσεων? Απάντηση : Τα µέσα µετάδοσης που χρησιµοποιούντα στα τοπικά δίκτυα υψηλών επιδόσεων, είναι όλα τα ενσύρµατα µέσα µετάδοσης που χρησιµοποιούνται στα τοπικά δίκτυα πρώτης γενιάς, και πιο συγκεκριµένα : Καλώδιο συνεστραµµένων ζευγών (twisted pair): αποτελείται από δύο µονω- µένα χάλκινα σύρµατα πάχους ενός χιλιοστού το καθένα, τα οποία είναι στριµ-

4 Επιµέλεια : Αθανάσιος Ι. Μάργαρης (amarg@uom.gr) 122 µένα το ένα γύρω από το άλλο σε ελικοειδές σχήµα, έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι ηλεκτροµαγνητικές επιδράσεις, που υφίστανται ανάµεσά τους. Στα τοπικά δίκτυα υψηλών επιδόσεων, χρησιµοποιούνται τόσο τα θωρακισµένα καλώδια συνεστραµµένων ζευγών (Shielded Twisted Pair, STP), τα οποία προσφέρουν µεγαλύτερη ανοχή στο θόρυβο, όσο και τα αθωράκιστα (Unshielded Twisted Pair, UTP), τα οποία είναι φθηνότερα και εγκαθίστανται µε µεγαλύτερη ευκολία σε σχέση µε τα θωρακισµένα. Τα καλώδια UTP προσφέρονται σε 8 κατηγορίες, έχουν ρυθµούς µετάδοσης που φτάνουν τα 1000 Mbps και χρησιµοποιούνται για αποστάσεις έως τα 100 µέτρα. Οµοαξονικό καλώδιο βασικής ζώνης (baseband coaxial cable): τα καλώδια αυτά προσφέρουν ένα αρκετά καλό συνδυασµό υψηλού εύρους ζώνης και ε- ξαιρετικής ανοχής στο θόρυβο. Το εύρος ζώνης τους είναι συνάρτηση του µήκους του καλωδίου και για καλώδια του 1 Km, είναι δυνατή η µεταφορά δεδοµένων µε ρυθµό 10 Mbps. Τα δεδοµένα που µεταφέρονται από αυτά τα καλώδια κωδικοποιούνται σύµφωνα µε την κωδικοποίηση Manchester (Manchester encoding) ή τη διαφορική κωδικοποίηση Manchester (differential Manchester encoding), η οποία, προσφέρει καλύτερη ανοχή στο θόρυβο, αλλά απαιτεί διπλάσιο εύρος ζώνης, και σύνθετο εξοπλισµό για την πραγµατοποίησή της. Οµοαξονικό καλώδιο ευρείας ζώνης (broadband coaxial cable): το καλώδιο αυτό είναι κατάλληλο για εφαρµογές που απαιτούν υψηλή συχνότητα, µεγάλο εύρος συχνοτήτων και υψηλούς ρυθµούς µετάδοσης. Μπορεί να χρησιµοποιη- Ωστόσο, επηρεάζεται από θόρυβο χαµηλών συχνοτήτων. Επιπλέον θεί σε όλες τις τοπολογίες δικτύων, ενώ οι ρυθµοί µετάδοσης και η ανοχή στον ηλεκτροµαγνητικό θόρυβο, είναι υψηλότεροι σε σχέση µε το καλώδιο βασικής ζώνης. επειδή το κόστος της εγκατάστασής του είναι υψηλότερο από το αντίστοιχο κόστος του καλωδίου βασικής ζώνης, δε συνίσταται η χρήση του σε µικρά τοπικά δίκτυα. Καλώδιο οπτικών ινών (fiber optic): στις οπτικές ίνες η µετάδοση των δεδοµένων γίνεται µέσα από µια ίνα από γυαλί ή πλαστικό και χρησιµοποιώντας τις κατάλληλες τεχνικές διαµόρφωσης. Το καλώδιο αποτελείται από τον πυρήνα, την επίστρωση και το προστατευτικό κάλυµµα, ενώ ως πηγή φωτός µπορεί να χρησιµοποιηθεί µια δίοδος εκποµπής φωτός (Light Emitting Diode, LED) ή µια δίοδος Laser (LD, Laser Diode). Ανάλογα µε τα χαρακτηριστικά και τον τρόπο λειτουργίας τους, οι οπτικές ίνες χωρίζονται σε µονότροπες και πολύτροπες. Χρησιµοποιούνται κυρίως σε περιπτώσεις όπου απαιτούνται πολλοί υψηλοί ρυθ- µοί µεταφοράς δεδοµένων, της τάξης του Gbps. Ως µέσα µετάδοσης θεωρούνται αξιόπιστα, δεν επηρεάζονται από το θόρυβο, και προσφέρουν µεγάλη ασφάλεια. Ωστόσο χαρακτηρίζονται από υψηλό κόστος εγκατάστασης, µεγάλη εξειδίκευση και τεχνογνωσία και ειδικό εξοπλισµό.

5 Μετάδοση δεδοµένων & ίκτυα Υπολογιστών (Τόµος ΙΙ) 123 Ερώτηση 5 η : Ποιες τοπολογίες χρησιµοποιούνται στα τοπικά δίκτυα υψηλών επιδόσεων? Απάντηση : Οι πιο γνωστές τοπολογίες δικτύων υψηλών επιδόσεων, είναι ε- κείνες που χρησιµοποιούνται στα συνηθισµένα τοπικά δίκτυα υπολογιστών, και πιο συγκεκριµένα : Τοπολογία διαύλου: είναι η πιο απλή µορφή διασύνδεσης και αποτελείται από ένα καλώδιο, πάνω στο οποίο συνδέονται όλοι οι κόµβοι του δικτύου, οι ο- ποίοι παρακολουθούν την κίνηση και προς τις δυο κατευθύνσεις. Το καλώδιο είναι παθητικό, µε την έννοια ότι απαιτείται µόνο η λειτουργία των κόµβων εκποµπής και λήψης για να ολοκληρωθεί η µετάδοση. Τοπολογία δακτυλίου: η τοπολογία αυτή σχηµατίζεται µε τη διασύνδεση των κόµβων κατά τέτοιο τρόπο, ώστε να σχηµατίζουν ένα κλειστό βρόγχο. Κάθε κόµβος συνδέεται νοητά (και όχι απαραίτητα σε επίπεδο φυσικής διάταξης) µε δύο γειτονικούς του κόµβους, εκ των οποίων ο ένας θεωρείται ως ο προηγούµενος, και ο άλλος ως ο επόµενος κόµβος. Η ροή των µηνυµάτων στο δακτύλιο γίνεται µόνο προς τη µία κατεύθυνση, µε τους ενδιάµεσους κόµβους να παίζουν το ρόλο του αναµεταδότη. Ένα µήνυµα κυκλοφορεί µέσα στο δίκτυο µέχρι να παραληφθεί από τον υπολογιστή παραλήπτη ή µέχρι να ολοκληρώσει ένα πλήρη κύκλο, οπότε και αποσύρεται από το δίκτυο. Εάν κάποιος από τους σταθµούς του δικτύου τεθεί εκτός λειτουργίας, λαµβάνει χώρα κατάρρευση του δακτυλίου, εκτός εάν οι κόµβοι διαθέτουν εφεδρικές συνδέσεις µε τις οποίες είναι δυνατόν να αποµονωθεί ο ελαττωµατικός κόµβος, έτσι ώστε ο υπόλοιπος δακτύλιος να συνεχίσει να λειτουργεί. Τοπολογία άστρου: η τοπολογία αυτή περιλαµβάνει ένα σύνολο από κόµ- βους οι οποίοι είναι συνδεδεµένοι µεταξύ τους µέσω ενός ενεργού διανοµέα ελεγκτή (hub), που είναι υπεύθυνος για τη διανοµή των µηνυµάτων που φτάνουν σε αυτόν από όλους τους κόµβους του δικτύου. Το βασικό µειονέκτηµα αυτής της τοπολογίας είναι η χρήση εξειδικευµένου και ακριβού εξοπλισµού στον κεντρικό κόµβο, καθώς και η περιορισµένη δυνατότητα όσον αφορά την προσθήκη νέων κόµβων. Είναι προφανές δε, πως εάν ο κεντρ ικός διανοµέας τεθεί εκτός λειτουργίας, θα λάβει χώρα κατάρρευση όλου του δικτύου, καθώς δεν υπάρχει κάποιος εναλλακτικός τρόπος επικοινωνίας ανάµεσα στους σταθµούς του δικτύου. Εκτός από αυτές τις τρεις βασικές τοπολογίες που χρησιµοποιούνται στα δίκτυα υψηλών επιδόσεων, υπάρχουν και άλλες περισσότερο σύνθετες τοπολογίες, ό- πως είναι ο αλυσιδωτός δίαυλος, ο δακτύλιος µε καλωδίωση άστρου, και το κατανεµηµένο άστρο. Ερώτηση 6 η : Να περιγράψετε τρόπους ασφάλειας στη µετάδοση δεδοµένων µέσω τοπικών δικτύων και ενδοδικτύων. Απάντηση : Οι τρεις πιο σηµαντικοί µηχανισµοί ασφαλείας που χρησιµοποιούνται στα τοπικά δίκτυα υψηλών επιδόσεων καθώς και στα ενδοδίκτυα, είναι η χρήση υλικού και λογισµικού προστασίας (firewalls) που απαγορεύει την πρόσβαση στο δίκτυο, µη εξουσιοδοτηµένων ατόµων, η κρυπτογράφηση της πληροφο-

6 Επιµέλεια : Αθανάσιος Ι. Μάργαρης (amarg@uom.gr) 124 ρίας που διακινείται στο δίκτυο, καθώς και οι διάφοροι αλγόριθµοι πιστοποίησης της αυθεντικότητας του χρήστη (authentication) έτσι ώστε να χρησιµοποιούν τις υπηρεσίες του δικτύου, µόνο οι χρήστες που έχουν αυτό το δικαίωµα. Σε περιπτώσεις κατά τις οποίες λαµβάνει χώρα διακίνηση εµπιστευτικών πληροφοριών όπως για παράδειγµα κωδικοί πιστωτικών καρτών µέσω του παγκόσµιου ιστού, µπορούµε να κρυπτογραφήσουµε αυτή την πληροφορία, χρησιµοποιώντας ειδικά πρωτόκολλα κρυπτογράφησης όπως είναι το SSL και το S-HTTP. Το SSL (Secure Socket Layer), υλοποιήθηκε από τη Netscape και αποτελεί ένα ενδιάµεσο πρωτόκολλο ανάµεσα στο TCP/IP και στο HTTP, ενώ το S-HTTP επινοήθηκε για να βοηθήσει στην ασφαλή πραγµατοποίηση εµπορικών συναλλαγών σε περιπτώσεις κατά τις οποίες προκύπτουν προβλήµατα αυθεντικότητας των σταθµών ε- ξυπηρέτησης, και ασφάλειας των δεδοµένων που µεταδίδουν οι πελάτες. Οι πελάτες που χρησιµοποιούν το S-HTTP µεταδίδουν µε ασφάλεια δεδοµένα, σε σταθµούς ε- ξυπηρέτησης παρόµοιων προδιαγραφών, και οι λήπτες αποκρίνονται µε κρυπτογραφηµένο µήνυµα, που περιλαµβάνει µεταξύ των άλλων, και την ψηφιακή υπογραφή τους. Ένας τελευταίος µηχανισµός ασφαλείας που έχει προταθεί, είναι η σύσταση X.509 για την έκδοση πιστοποιητικού εγκυρότητας της ψηφιακής υπογραφής, το οποίο θα χρησιµοποιείται για επιβεβαίωση της ταυτότητας του χρήστη.