Εισαγωγή στα ίκτυα Υπολογιστών

Transcript

1 ΤΕΙ Θεσσαλονίκης Σχολή Τεχνολογικών Εφαρµογών ρ. Ευάγγελος Β. Κοψαχείλης Εισαγωγή στα ίκτυα Υπολογιστών Θεσσαλονίκη 2004

2 Περιεχόµενα 1 ίκτυα Υπολογιστών - εισαγωγή στις βασικές έννοιες Βασική ορολογία δικτύων υπολογιστών 5 2 Εισαγωγή στα Τοπικά ίκτυα Υπολογιστών Εξέλιξη και εφαρµογές των Τοπικών ικτύων Τα χαρακτηριστικά του τυπικού Τοπικού ικτύου Υπολογιστών Τοπολογίες των Τοπικών ικτύων (LAN Topologies) Τοπολογία Αστέρος (Star Topology) Τοπολογία ιαύλου ή Ανοικτού Βρόγχου (Bus Topology) Η Τοπολογία ακτυλίου ή Κλειστού Βρόγχου (Ring Topology) Η Τοπολογία ένδρου (Tree Topology) Μη Κανονικές Τοπολογίες (Unconstrained Topologies) Γραµµές Μεταφοράς (Transmission Media) Συνεστραµένα Καλώδια (Twisted pairs) Οµοαξονικά Καλώδια (Coaxial Cables) Οπτικές ίνες (Optical Fibers) Άλλα µέσα µετάδοσης 18 3 Τεχνικές χρήσης των επικοινωνιακών πόρων (Communication 20 Resources) ενός Τοπικού ικτύου 3.1 Πληροφοριακά Πακέτα (Information Packets, Data Packets) Πολλαπλή Προσπέλαση και Αφιερωµένες Συνδέσεις Πολλαπλή Προσπέλαση και Τεχνικές Ελέγχου Αξιολόγηση Πρωτοκόλλων Επικοινωνίας - Κριτήρια και χαρακτηριστικά 23 µεγέθη 3.5 Πρωτόκολλα Πολλαπλής Προσπέλασης Ελεγχόµενες Μέθοδοι Προσπέλασης (Controlled Access Methods) Το πρωτόκολλο TDMA Το πρωτόκολλο Polling Tο πρωτόκολλο Token bus Μέθοδοι Τυχαίας Προσπέλασης (Random Access Methods) Το πρωτόκολλο ALOHA Το πρωτόκολλο CSMA/CD Προδιαγραφές (standards) και µοντέλα επικοινωνιών Επίπεδα επικοινωνίας και Υπηρεσίες Tα επίπεδα του µοντέλου αναφοράς OSI Το Φυσικό Επίπεδο (Physical Layer) Το Επίπεδο Σύνδεσης εδοµένων (Data Link Layer) Το Επίπεδο ικτύου (Network Layer) Το Επίπεδο Μεταφοράς (Transport Layer) Το Επίπεδο Συνόδου (Session Layer) Το Επίπεδο Παρουσίασης (Presentation Layer) Το Επίπεδο Εφαρµογής (Application Layer) Η σειρά προδιαγραφών 802 του ΙΕΕΕ Η ιεραρχία πρωτοκόλλων TCP/IP 48 Απρίλιος

3 1. ίκτυα Υπολογιστών - Εισαγωγή στις βασικές έννοιες Η επικοινωνία δηλαδή η µετάδοση και λήψη πληροφοριών σε µικρή ή µεγάλη απόσταση είχε πάντα µεγάλη σηµασία και οδήγησε τους ανθρώπους από πολύ παλιά σε προσπάθειες µετάδοσης πληροφοριών µε τα διαθέσιµα τεχνολογικά µέσα της κάθε εποχής. Τις τελευταίες δεκαετίες η ανάπτυξη των ψηφιακών τεχνολογιών είχε σαν αποτέλεσµα την µεγάλη ανάπτυξη των δικτύων υπολογιστών. Ένα δίκτυο υπολογιστών διασυνδέει έναν αριθµό υπολογιστών και άλλων ψηφιακών συσκευών και επιτρέπει στους χρήστες του να επικοινωνούν δηλαδή να µεταδίδουν δεδοµένα αλλά και να έχουν πρόσβαση στις υπηρεσίες και τις δυνατότητες (πόρους) αποµακρυσµένων υπολογιστών ή συστηµάτων. Κάθε δίκτυο χαρακτηρίζεται από την αρχιτεκτονική του. Αρχιτεκτονική δικτύου (Network architecture) ονοµάζεται η δοµή του δικτύου δηλαδή η τοπολογία των συνδέσεων µεταξύ των υπολογιστών, των συσκευών διαδικτύωσης και γενικά όλων των στοιχείων του δικτύου, καθώς και οι προδιαγραφές των στοιχείων του δικτύου και τα χρησιµοποιούµενα πρωτόκολλα επικοινωνίας. Παραδείγµατα αρχιτεκτονικής δικτύου αποτελούν οι προδιαγραφές των δικτύων Ethernet, Token Ring, ATM, κλπ. Ανάλογα µε την γεωγραφική έκταση που καλύπτει ένα δίκτυο διακρίνουµε δύο γενικές κατηγορίες δηλαδή τα Τοπικά ίκτυα και τα ίκτυα Ευρείας Περιοχής. Επίσης υπάρχει µία ενδιάµεση ενδιαφέρουσα κατηγορία δικτύων υψηλής ταχύτητας, τα µητροπολιτικά δίκτυα. Τα Τοπικά ίκτυα (Local Area Networks LAN) είναι δίκτυα υπολογιστών µε γεωγραφική έκταση µικρότερη των 3 χιλιοµέτρων περίπου (απόσταση µεταξύ των δύο άκρων). Ένα Τοπικό ίκτυο καλύπτει συνήθως ένα γραφείο, ένα σχολείο ή ένα εργαστήριο και περιορίζεται σχεδόν πάντα στα όρια ενός κτιρίου. Οι ταχύτητες µετάδοσης στα Τοπικά δίκτυα είναι αρκετά υψηλές. Συνήθεις ταχύτητες µετάδοσης είναι τα 10 Mega bits per second (Mbps) και τα 100 Mbps. Επίσης υπάρχουν και τοπικά δίκτυα µε ταχύτητα µετάδοσης 1 Giga bit per second (1 Gbps) καθώς και δίκτυα τεχνολογίας ΑΤΜ (Asynchronous Transfer Mode) µε ταχύτητα µετάδοσης 155 Mbps. Για την σύνδεση του κάθε υπολογιστή στο δίκτυο απαιτείται µία κάρτα δικτύου. Η Κάρτα ικτύου (Network Interface Card NIC) είναι µία περιφερειακή κάρτα η οποία τοποθετείται εσωτερικά σε µια υποδοχή του υπολογιστή (slot) και συνδέεται στο µέσο µεταφοράς του τοπικού δικτύου (καλώδιο, ή οπτική ίνα). Οποιαδήποτε επικοινωνία των υπολογιστών του δικτύου γίνεται µέσω αυτών των καρτών. Η κάρτα δικτύου υλοποιεί µεγάλο µέρος των κανόνων επικοινωνίας και συνεπώς για να επικοινωνήσουν δύο υπολογιστές µέσα από ένα τοπικό δίκτυο θα πρέπει οι αντίστοιχες κάρτες δικτύου να υποστηρίζουν το ίδιο πρωτόκολλο. Τα Μητροπολιτικά ίκτυα (Metropolitan Area Network MAN) είναι δίκτυα υψηλής ταχύτητας µε γεωγραφική έκταση από 10 έως 200 Km και ρυθµούς µετάδοσης δεδοµένων 2

4 από 100 έως 200 Mbps. Καλύπτουν γεωγραφικά µία πόλη ή µία µητροπολιτική περιοχή µε γειτονικές πόλεις και προάστεια και χρησιµοποιούν σαν µέσο µετάδοσης οπτικές ίνες. Τα ίκτυα Ευρείας Περιοχής (Wide Area Networks WAN ) είναι δίκτυα υπολογιστών µε γεωγραφική έκταση µεγαλύτερη των 5 χιλιοµέτρων περίπου (απόσταση µεταξύ των δύο άκρων). Ένα ίκτυο Ευρείας Περιοχής µπορεί να καλύπτει µία οµάδα κτιρίων (π.χ. βιοµηχανίες πανεπιστήµια, κ.λ.π.) ή να καλύπτει την έκταση µίας πόλης ή ακόµη να γεφυρώνει δύο ηπείρους. Συνήθως ένα ίκτυο Ευρείας Περιοχής χρησιµοποιείται για την διασύνδεση αποµακρυσµένων Τοπικών ικτύων. Το γνωστότερο παράδειγµα δικτύου ευρείας περιοχής είναι το ιαδίκτυο (Internet). Ένα δίκτυο περιλαµβάνει το υλικό και το λογισµικό, τις τηλεπικοινωνιακές συνδέσεις και τους χρήστες. Το υλικό είναι κυρίως υπολογιστές αλλά και περιφερειακές συσκευές όπως εκτυπωτές δικτύου. Επίσης το υλικό ενός δικτύου περιλαµβάνει ειδικές συσκευές διαδικτύωσης (internetworking devices) δηλαδή συσκευές οι οποίες αναλαµβάνουν την επικοινωνία µεταξύ δύο ή περισσοτέρων υποδικτύων. Οι ειδικές συσκευές διαδικτύωσης είναι στις περισσότερες περιπτώσεις δροµολογητές και κατανεµητές. Ο Κατανεµητής (Hub) είναι µία απλή συσκευή διαδικτύωσης η οποία επιτρέπει την δηµιουργία ενός τοπικού δικτύου υπολογιστών και περιφεριακών συσκευών. Ο κατανεµητής διαθέτει έναν αριθµό θυρών (συνήθως 8 ή 16 ) σε κάθε µία από τις οποίες συνδέεται ένας υπολογιστής ή περιφερειακή συσκευή. Ο ροµολογητής (Router) είναι ειδική συσκευή τηλεπικοινωνιών η οποία διασυνδέει δύο ή περισσότερα όµοια ή ανόµοια υποδίκτυα και αναλαµβάνει να δροµολογήσει τα πακέτα πληροφοριών από ένα υποδίκτυο προς το υποδίκτυο όπου βρίσκεται ο υπολογιστής «παραλήπτης» του κάθε πακέτου. Ο δροµολογητής µπορεί να είναι µία µικρή επιτραπέζια συσκευή ή ένα πολύ εκτεταµένο σύστηµα ανάλογα µε τον αριθµό των υποδικτύων που διασυνδέει και τα πρωτόκολλα επικοινωνίας που χρησιµοποιούνται. Είναι από τις πιο βασικές συσκευές σε εκτεταµένα συστήµατα τηλεπικοινωνιών όπως τα ίκτυα Ευρείας Περιοχής ή το ιαδίκτυο. Μία διαδεδοµένη και στοιχειώδης συσκευή διαδικτύωσης χαµηλού κόστους που επιτρέπει την διασύνδεση υπολογιστών µέσω του τηλεφωνικού δικτύου είναι ο ιαµορφωτής- Αποδιαµορφωτής δηλαδή το MODEM. Ο ιαµορφωτής-αποδιαµορφωτής (MODEM) είναι µία συσκευή η οποία παρεµβάλλεται µεταξύ του υπολογιστή και της τηλεφωνικής γραµµής και επιτρέπει την µετάδοση και λήψη ψηφιακών δεδοµένων µέσω της τηλεφωνικής γραµµής. Το MODEM µετατρέπει τα ψηφιακά σειριακά δεδοµένα σε αναλογικά ηλεκτρικά σήµατα κατάλληλα για µετάδοση µέσα από το τηλεφωνικό δίκτυο (διαµόρφωση) και αντίστροφα µετατρέπει τα σήµατα που λαµβάνει από το τηλεφωνικό δίκτυο σε ψηφιακά σειριακά δεδοµένα 3

5 (αποδιαµόρφωση). Τα τελευταία χρόνια λόγω της µεγάλης διάδοσης του διαδικτύου το MODEM είναι µία πολύ διαδεδοµένη συσκευή χαµηλού κόστους. Τα συµβατικά MODEMs επιτυγχάνουν ρυθµούς µετάδοσης δεδοµένων µεταξύ 28 Kbps και 56 Kbps (Kilo bits per second) πάνω από συµβατικές τηλεφωνικές γραµµές. Επίσης υπάρχουν MODEMs µεγαλύτερου κόστους και επιδόσεων όπως τα ASDL Modems (256Kbps-4Mbps) τα οποία χρησιµοποιούνται σε συνδέσεις ADSL. Υπάρχουν επίσης MODEMs τα οποία χρησιµοποιούνται για την διασύνδεση µεταξύ δικτύων υπολογιστών µέσω µόνιµων ψηφιακών συνδέσεων (Baseband Modems µε ταχύτητες 64 Kbps-2Mbps). Όταν δύο συστήµατα επικοινωνούν µε οποιονδήποτε τρόπο (δηλαδή ανταλλάσσουν πληροφορίες), θα πρέπει να ακολουθούν ένα πρωτόκολλο. Το Πρωτόκολλο (Protocol) είναι µία συλλογή κανόνων που διέπουν την επικοινωνία µεταξύ συσκευών, κυκλωµάτων ή ακόµη και τµηµάτων λογισµικού. Το σύνολο των κανόνων επικοινωνίας ονοµάζεται ειδικότερα Πρωτόκολλο Επικοινωνίας (Communication Protocol). Ένα γνωστό παράδειγµα πρωτοκόλλου είναι το ftp (file transfer protocol) το οποίο διέπει την µεταφορά αρχείων µεταξύ δύο υπολογιστών. Για να επικοινωνήσουν δύο υπολογιστές πρέπει να εκτελούν τα ίδια πρωτόκολλα επικοινωνίας. Σε ένα πραγµατικό δίκτυο λειτουργούν ταυτόχρονα πολλά πρωτόκολλα τα οποία ελέγχουν τις διάφορες λειτουργίες του δικτύου σε πολλά επίπεδα. Το λογισµικό του δικτύου εκτελείται σε όλες τις συνδεδεµένες συσκευές και υλοποιεί όλους τους απαιτούµενους κανόνες επικοινωνίας (έλεγχοι µετάδοσης, κωδικοποίηση, έλεγχοι λαθών κ.λ.π). Οι τηλεπικοινωνιακές συνδέσεις µπορούν να είναι πολλών ειδών. Υπάρχουν συνδέσεις από ζεύγη χάλκινων αγωγών (συνεστραµµένα ζεύγη twisted pairs), από οµοαξονικά καλώδια (coaxial calbes), ή από οπτικές ίνες. Επίσης υπάρχουν και ασύρµατα δίκτυα όπου η γραµµή µεταφοράς είναι απλά ο αέρας. Το σηµαντικότερο χαρακτηριστικό µιας σύνδεσης (ή γραµµής µεταφοράς) είναι ο ρυθµός µεταφοράς ή µετάδοσης δεδοµένων. Ο Ρυθµός Μεταφοράς εδοµένων (Data Transfer Rate) ή απλά η Ταχύτητα Μετάδοσης είναι ένα µέγεθος που δείχνει πόσα bits δεδοµένων µπορεί να µεταφέρει µία σύνδεση ή γραµµή µεταφοράς στην µονάδα του χρόνου. Μετριέται σε bps (bits per second) ή στα πολλαπλάσια του bps δηλαδή σε Kbps (Kilo bits per second = 1024 bps), Mbps (Mega bits per second = 1024 Kbps) και Gbps (Giga bita per second = 1024 Mbps). Σε µία δεδοµένη γραµµή µεταφοράς το µέγεθος αυτό µειώνεται καθώς αυξάνει η απόσταση µεταξύ του ποµπού και του δέκτη των δεδοµένων. Η σπουδαιότερη εξέλιξη των τελευταίων ετών στον τοµέα των γραµµών µεταφοράς είναι η διάδοση των οπτικών ινών. Οι oπτικές ίνες (οptical fibers) είναι γραµµές µεταφοράς δεδοµένων στις οποίες η µετάδοση βασίζεται στην εκποµπή παλµών φωτός. Εξωτερικά µία οπτική ίνα µοιάζει µε λεπτό πλαστικό νήµα. Η φωτεινή ενέργεια µεταφέρεται µε διαδοχικές 4

6 ανακλάσεις στα εσωτερικά τοιχώµατα της ίνας και ανιχνεύεται στον δέκτη από φωτοηλεκτρικές διατάξεις. Ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων σε µία οπτική ίνα είναι πολύ µεγαλύτερος σε σχέση µε τις επιδόσεις ενός συµβατικού καλωδίου µε χάλκινους αγωγούς. Μία οπτική ίνα µπορεί να µεταφέρει δεδοµένα µε ρυθµούς της τάξεως αρκετών giga bits ανά δευτερόλεπτο. Μία ενδιαφέρουσα τεχνολογία για την υλοποίηση δικτύων ευρείας περιοχής µε χαµηλό κόστος και ικανοποιητική ταχύτητα είναι το Ψηφιακό ίκτυο Ενοποιηµένων Υπηρεσιών (Integrated Services Digital Network ISDN ). Η τεχνολογία αυτή εκµεταλλεύεται το δίκτυο των εγκατεστηµένων τηλεφωνικών χάλκινων αγωγών και παρέχει την δυνατότητα µετάδοσης ψηφιακών δεδοµένων µε ταχύτητα 128 Kbps. Οι χρήστες του ISDN µπορούν να χρησιµοποιούν την σύνδεσή τους είτε για συµβατική τηλεφωνική επικοινωνία, είτε για υπηρεσίες εικονοτηλεφωνίας (videotelephony), είτε για µετάδοση δεδοµένων και fax είτε για συνδυασµούς όλων αυτών των υπηρεσιών ανάλογα µε τις ανάγκες τους. Η πιο χαρακτηριστική εφαρµογή του ISDN είναι η τηλεδιάσκεψη µεταξύ δύο ή περισσοτέρων χρηστών την οποία το ISDN υποστηρίζει µε ικανοποιητική ποιότητα. Άλλη σηµαντική εφαρµογή του ISDN είναι η διασύνδεση αποµακρυσµένων τοπικών δικτύων και συνεπώς η υλοποίηση ενός δικτύου ευρείας περιοχής. Η απλή σύνδεση των 128 Kbps ισοδυναµεί µε δύο τηλεφωνικές συνδέσεις και ονοµάζεται ISDN Βασικής Προσπέλασης (Basic Rate Interface BRI). Ένας χρήστης µπορεί να συνδεθεί επίσης µε ακέραιο αριθµό BRIs (µε ανάλογη αύξηση της χρέωσης). Επίσης για µεγάλους οργανισµούς διατίθεται και η δυνατότητα σύνδεσης µε συνολική ταχύτητα 2 Mbps. Η σύνδεση αυτού του τύπου ονοµάζεται ISDN Πρωτεύουσας Προσπέλασης (Primary Rate Interface PRI) και αντιστοιχεί σε 30 τηλεφωνικές συνδέσεις. Η χρέωση του ISDN είναι ανάλογη του χρόνου χρήσης της σύνδεσης. 1.1 Βασική ορολογία δικτύων υπολογιστών Αρχιτεκτονική δικτύου (Network architecture): Η δοµή ενός δικτύου υπολογιστών δηλαδή η τοπολογία των συνδέσεων µεταξύ των υπολογιστών, των συσκευών διαδικτύωσης και γενικά όλων των στοιχείων του δικτύου, καθώς και οι προδιαγραφές των στοιχείων του δικτύου και τα χρησιµοποιούµενα πρωτόκολλα επικοινωνίας. Παραδείγµατα αρχιτεκτονικής δικτύου αποτελούν οι προδιαγραφές των δικτύων Ethernet, Token Ring, ATM, κλπ. ίκτυα Ευρείας Περιοχής (Wide Area Networks WAN ) : ίκτυα υπολογιστών µε γεωγραφική έκταση µεγαλύτερη των 5 χιλιοµέτρων περίπου (απόσταση µεταξύ των δύο άκρων). Ένα ίκτυο Ευρείας Περιοχής µπορεί να καλύπτει µία οµάδα κτιρίων (π.χ. βιοµηχανίες, εκπαιδευτικά ιδρύµατα, κ.λ.π.) ή να καλύπτει την έκταση µίας πόλης ή ακόµη να γεφυρώνει δύο ηπείρους. Συνήθως ένα ίκτυο Ευρείας Περιοχής χρησιµοποιείται για την διασύνδεση αποµακρυσµένων Τοπικών ικτύων. ίκτυα Τοπικά (Local Area Networks LAN) : ίκτυα υπολογιστών µε γεωγραφική έκταση µικρότερη των 3 χιλιοµέτρων περίπου (απόσταση µεταξύ των δύο άκρων). Ένα Τοπικό ίκτυο καλύπτει συνήθως ένα γραφείο, ένα σχολείο ή ένα εργαστήριο και περιορίζεται σχεδόν πάντα στα όρια ενός κτιρίου. Οι ταχύτητες µετάδοσης στα Τοπικά δίκτυα είναι αρκετά υψηλές. Συνήθεις ταχύτητες µετάδοσης είναι τα 10 mega bits per second (mbps) και τα 100 mbps. Επίσης υπάρχουν 5

7 τοπικά δίκτυα µε ταχύτητα µετάδοσης 1 giga bit per second) καθώς και τοπικά δίκτυα ΑΤΜ µε ταχύτητα µετάδοσης 155 mbps. Μητροπολιτικά ίκτυα (Metropolitan Area Network MAN): ίκτυα υψηλής ταχύτητας µε γεωγραφική έκταση από 10 έως 200 Km και ρυθµούς µετάδοσης δεδοµένων από 100 έως 200 Mbps. Καλύπτουν γεωγραφικά µία πόλη ή µία µητροπολιτική περιοχή µε γειτονικές πόλεις και προάστεια και χρησιµοποιούν σαν µέσο µετάδοσης οπτικές ίνες. ροµολογητής (Router) : Ειδική συσκευή τηλεπικοινωνιών η οποία διασυνδέει δύο ή περισσότερα όµοια ή ανόµοια υποδίκτυα και αναλαµβάνει να δροµολογήσει τα πακέτα πληροφοριών από ένα υποδίκτυο προς το υποδίκτυο όπου βρίσκεται ο υπολογιστής «παραλήπτης» του κάθε πακέτου. Ο δροµολογητής µπορεί να είναι µία µικρή επιτραπέζια συσκευή ή ένα πολύ εκτεταµένο σύστηµα ανάλογα µε τον αριθµό των υποδικτύων που διαςυνδέει και τα πρωτόκολλα επικοινωνίας που χρησιµοποιούνται. Είναι από τις πιο βασικές συσκευές σε εκτεταµένα συστήµατα τηλεπικοινωνιών όπως τα ίκτυα Ευρείας Περιοχής ή το ιαδίκτυο. Κατανεµητής (Hub): Απλή συσκευή διαδικτύωσης η οποία επιτρέπει την δηµιουργία ενός τοπικού δικτύου υπολογιστών και περιφεριακών συσκευών. Ο κατανεµητής διαθέτει έναν αριθµό θυρών (συνήθως 8 ή 16 ) σε κάθε µία από τις οποίες συνδέεται ένας υπολογιστής ή περιφερειακή συσκευή. Ρυθµός Μεταφοράς εδοµένων (Data Transfer Rate) ή Ταχύτητα Μετάδοσης: Μέγεθος που δείχνει πόσα bits δεδοµένων µπορεί να µεταφέρει µία σύνδεση ή γραµµή µεταφοράς ή ένα δίκτυο γενικότερα, στην µονάδα του χρόνου. Μετριέται σε bps (bits per second) ή στα πολλαπλάσια του bps δηλαδή σε Kbps (Kilo bits per second = 1024 bps), Mbps (Mega bits per second = 1024 Kbps) και Gbps (Giga bits per second = 1024 Mbps). Κάρτα ικτύου (Network Interface Card NIC): Περιφερειακή κάρτα η οποία απαιτείται για την σύνδεση του υπολογιστή σε τοπικό δίκτυο. Η κάρτα δικτύου τοποθετείται εσωτερικά σε µια υποδοχή του υπολογιστή (slot) και συνδέεται στο µέςο µεταφοράς του τοπικού δικτύου (καλώδιο ή οπτική ίνα). Πρωτόκολλο Επικοινωνίας (Communication Protocol): Σύνολο κανόνων επικοινωνίας µεταξύ δύο υπολογιστών. Γνωστό παράδειγµα πρωτοκόλλου είναι το ftp (file transfer protocol) το οποίο διέπει την µεταφορά αρχείων µεταξύ δύο υπολογιστών. Για να επικοινωνήσουν δύο υπολογιστές πρέπει να εκτελούν τα ίδια πρωτόκολλα επικοινωνίας. Σε ένα πραγµατικό δίκτυο λειτουργούν ταυτόχρονα πολλά πρωτόκολλα τα οποία ελέγχουν τις διάφορες λειτουργίες του δικτύου σε πολλά επίπεδα. Ψηφιακό ίκτυο Ενοποιηµένων Υπηρεσιών (Integrated Services Digital Network ISDN ): Τεχνολογία για την υλοποίηση δικτύων ευρείας περιοχής µε χαµηλό κόστος και ικανοποιητική ταχύτητα. Εκµεταλλεύεται το δίκτυο των εγκατεστηµένων τηλεφωνικών χάλκινων αγωγών και παρέχει την δυνατότητα παράλληλης µετάδοσης ψηφιακών δεδοµένων κάθε είδους (φωνή, αρχεία, κ.λ.π.) µε συνολική ταχύτητα 128 Kbps (στην βασική του µορφή). ιαµορφωτής-αποδιαµορφωτής (MODEM): Συσκευή η οποία συνήθως παρεµβάλλεται µεταξύ ενός υπολογιςτή και µιας τηλεφωνικής γραµµής και επιτρέπει την µετάδοση και λήψη ψηφιακών δεδοµένων µέσω της τηλεφωνικής γραµµής. Το MODEM µετατρέπει τα ψηφιακά σειριακά δεδοµένα σε αναλογικά ηλεκτρικά σήµατα κατάλληλα για µετάδοση µέσα από το τηλεφωνικό δίκτυο (διαµόρφωση) και αντίστροφα (αποδιαµόρφωση). Τα συµβατικά MODEMs που χρησιµοποιούνται για την σύνδεση ενός χρήστη στο διαδίκτυο είναι συσκευές χαµηλού κόστους και επιτυγχάνουν ρυθµούς µετάδοσης δεδοµένων µεταξύ 28 Kbps και 56 Kbps (Kilo bits per second) πάνω από συµβατικές τηλεφωνικές γραµµές. Επίσης υπάρχουν MODEMs µεγαλύτερου κόστους και επιδόσεων όπως τα ASDL Modems (256Kbps-4Mbps) τα οποία χρησιµοποιούνται σε συνδέσεις ADSL. Υπάρχουν επίσης MODEMs τα οποία χρησιµοποιούνται για την διασύνδεση µεταξύ δικτύων υπολογιστών µέσω µόνιµων ψηφιακών συνδέσεων (Baseband Modems µε ταχύτητες 64 Kbps-2Mbps). 6

8 2. Εισαγωγή στα Τοπικά ίκτυα Υπολογιστών 2.1 Εξέλιξη και εφαρµογές των Τοπικών ικτύων Μια σύντοµη περιγραφή ενός Τοπικού ικτύου Υπολογιστών συνοψίζεται στο ότι τα δίκτυα αυτά είναι ένας αποδοτικός τρόπος σύνδεσης υπολογιστικών συστηµάτων σε περιορισµένη γεωγραφικά έκταση. Με το όρο "περιορισµένη έκταση" εννοούµε ένα συνολικό φυσικό µέγεθος του δικτύου της τάξης του ενός ή δύο χιλιοµέτρων, αν και η µεγάλη πλειονότητα των εγκατεστηµένων δικτύων καλύπτει αποστάσεις λίγων εκατοντάδων µέτρων. Τα Τοπικά ίκτυα Υπολογιστών (Local Area Networks - LANs), είναι ένας από τους µεγαλύτερους τοµείς ανάπτυξης στην βιοµηχανία των υπολογιστών. Σηµαντικοί λόγοι για την ραγδαία αυτή ανάπτυξη του τοµέα των LANs, είναι το γεγονός ότι αποτελούν κρίσιµο εξοπλισµό για την αυτοµατοποίηση σε περιβάλλον γραφείου (Office Automation) καθώς και την διασύνδεση µεταξύ διαφορετικών συστηµάτων όπως πχ η διασύνδεση µεταξύ Προσωπικών Υπολογιστών (PCs), περιφερειακών διατάξεων καθώς και µεταξύ ιακοµιστών (servers). Συνεπώς, η επέκταση της αγοράς των LANs συµβαδίζει µε την επέκταση της αγοράς των υπολογιστών και της πληροφορικής γενικότερα. Ένας πρόσθετος παράγοντας είναι το γεγονός ότι η τεχνολογία των υπολογιστών καθ' εαυτή αναπτύσσεται ραγδαία, έτσι ώστε αυξηµένη υπολογιστική ισχύς, να είναι διαθέσιµη µε προσιτό κόστος. Τέτοιες συσκευές εµφανίζουν πιο έντονα την ανάγκη για επικοινωνίες µεγάλης ταχύτητας κάτι που ικανοποιείται µε την χρήση LANs µε χαµηλό επίσης κόστος. Επιπλέον οι εξελίξεις των τεχνολογιών "Ολοκλήρωσης Πολύ Μεγάλης Κλίµακας" (VLSI-Very Large Scale Integration) επιτρέπουν την σχεδίαση και ανάπτυξη Τοπικών ικτύων µε αυξηµένες δυνατότητες και µειωµένο κόστος. Παραµένοντας στο θέµα των εφαρµογών θα αναφερθούµε και σε µία σηµαντική περιοχή, την περιοχή των εφαρµογών ολοκλήρωσης Πολλαπλών Μέσων (Multimedia Applications). Οι εφαρµογές αυτές χαρακτηρίζονται από αυξηµένες ανάγκες επικοινωνίας µε απαιτήσεις ταχύτητας και ποιότητας εξυπηρέτησης. Πιο συγκεκριµένα µια τυπική εφαρµογή Multimedia περιλαµβάνει τον χειρισµό "αντικειµένων" µεγάλου πληροφοριακού όγκου, όπως είναι οι ψηφιοποιηµένες εικόνες µεγάλης ευκρίνειας. Επίσης, γίνεται χειρισµός τύπων πληροφορίας που ενδογενώς χαρακτηρίζονται από µεγάλη ευαισθησία ως προς τον χρόνο εξυπηρέτησης, όπως είναι το video, το hifi audio κ.λ.π. Άρα, οι επικοινωνιακές ανάγκες για µια κατανεµηµένη εφαρµογή Multimedia (π.χ. Remote Consultation) είναι ιδιαίτερα υψηλές. Λόγω της εκρηκτικής ανάπτυξης των τεχνολογιών Multimedia, έχουµε µια πολύ έντονη δραστηριότητα σε ερευνητικό επίπεδο άλλα και στο επίπεδο ανάπτυξης, µε επίκεντρο τις επικοινωνίες που ολοκληρώνουν την µεταφορά πολλών τύπων πληροφορίας (κείµενο, ήχο, εικόνα κ.λ.π.) και που αναφέρονται σαν Multimedia Communications. 7

9 2.2 Τα χαρακτηριστικά του τυπικού Τοπικού ικτύου Υπολογιστών Μία έκφραση για τον ορισµό της έννοιας του Τοπικού ικτύου Υπολογιστών θα µπορούσε να είναι η εξής: Επικοινωνιακά συστήµατα προορισµένα να διασυνδέουν υπολογιστές ή άλλες συσκευές χειρισµού πληροφορίας µέσα σε περιορισµένη γεωγραφικά έκταση. Αν και ο ορισµός αυτός είναι κατά βάση σωστός, είναι συγχρόνως αρκετά ευρύς έτσι ώστε εύκολα να ισχύει και για συστήµατα που σαφώς δεν είναι Τοπικά ίκτυα Υπολογιστών. Ενα εύστοχο αντιπαράδειγµα είναι η περίπτωση ενός µικρού τηλεφωνικού κέντρου (PABX - Private Automatic Branch Exchange) το οποίο σαφώς διασυνδέει "συσκευές χειρισµού πληροφορίας" (τερµατικά, modems, fax, κ.λ.π.) χωρίς να έχει όµως καµία σχέση µε Τοπικό ίκτυο Υπολογιστών. Μια πιο περιεκτική προσέγγιση είναι η παράθεση των σηµαντικότερων χαρακτηριστικών ενός Τοπικού ικτύου Υπολογιστών. Η λίστα των χαρακτηριστικών ενός Τοπικού ικτύου έχει ως εξής: α. Γεωγραφική έκταση. Η µέγιστη έκταση ενός Τοπικού ικτύου είναι συνάρτηση του µέγιστου επιτρεπόµενου µήκους των γραµµών µεταφοράς (οµοαξονικά ή συνεστραµµένα καλώδια, οπτικές ίνες, κ.λ.π.), έτσι ώστε οι κανόνες επικοινωνίας να υλοποιούνται µε ανεκτή απόδοση. Στην πράξη ένα Τοπικό ίκτυο µπορεί να έχει συνολικό µήκος που κυµαίνεται από λίγα µέτρα έως λίγα χιλιόµετρα. Συνέπεια αυτών των µεγεθών είναι το γεγονός ότι ένα Τοπικό ίκτυο µπορεί να εκτείνεται µέσα στα όρια ενός γραφείου, ή ενός κτιρίου ή ενός συγκροτήµατος κτιρίων όπως πχ ένα εργοστάσιο. β. Ρυθµοί Μετάδοσης. Η ταχύτητα µετάδοσης των δεδοµένων πάνω στις γραµµές µεταφοράς του δικτύου κυµαίνεται από 1Megabit/sec έως 100Mbits/sec. Το µεγαλύτερο ποσοστό, των εν λειτουργία Τοπικών ικτύων χρησιµοποιεί ρυθµούς µετάδοσης µεταξύ 1Mbit/sec έως 1Gbits/sec. Στο σχήµα 2.1 δίνεται µία κατάταξη των διαφόρων κατηγοριών δικτύων µε βάση την γεωγραφική έκταση αυτών και τους χρησιµοποιούµενους ρυθµούς µετάδοσης. γ. Συνδετικότητα (Connectivity). Τα Τοπικά ίκτυα συνήθως είναι σχεδιασµένα µε βάση την αντίληψη περί "ανοικτού συστήµατος" (open systems) και δίνουν την δυνατότητα σε οποιαδήποτε συνδεδεµένη συσκευή του δικτύου να επικοινωνεί µε οποιαδήποτε άλλη συσκευή στο δίκτυο. Αν και στις περισσότερες περιπτώσεις αυτό είναι δυνατό όσον αφορά τους βασικούς κανόνες επικοινωνίας, ενδέχεται ορισµένες εφαρµογές χαµηλού κόστους κυρίως, να είναι περιοριστικές ως προς την συνδετικότητα. 8

10 1G 100M Local Area Networks Metropolitan Area Networks Ρυθµός µετάδοσης (bps) Data Rates (bps) 10M 1M 100K 10K 1K Computer Bus Computer Bus Local Area Network Telephone Exchange Wide Area Networks Wide Area Network 1 m 1m m m 10km Km 1000 Km Απόσταση Distance (metres) (m: µέτρα) Σχήµα 2.1 Η σχέση των LANs µε άλλους τύπους δικτύων ως προς την έκταση και την ταχύτητα επικοινωνίας δ. Κόστος. Το κόστος ενός δικτύου είναι συνάρτηση του κόστους των γραµµών µεταφοράς και του κόστους του υλικού (Hardware) που απαιτείται για την σύνδεση ενός υπολογιστή στο δίκτυο. Επειδή οι γραµµές µεταφοράς είναι ιδιωτικές (λόγω του µικρού µήκους του δικτύου), το κόστος αυτών είναι ουσιαστικά το αρχικό κόστος εγκατάστασης. Αν ληφθεί υπ' όψιν η τάξη µεγέθους του προσφερόµενου εύρους ζώνης (τυπική τιµή 100 Mbits/sec) και η αναβάθµιση υπηρεσιών και δυνατοτήτων που επιφέρει ένα Τοπικό ίκτυο σε έναν χώρο εργασίας, µπορούµε να συµπεράνουµε ότι τα Τοπικά ίκτυα είναι συστήµατα συγκριτικά χαµηλού κόστους. ε. Κατανεµηµένη χρήση πόρων (Resource sharing). Κατά κανόνα κάθε σύστηµα συνδεδεµένο σε ένα Τοπικό ίκτυο έχει πρόσβαση σ' όλους τους πόρους (Resources) και τις δυνατότητες που συνολικά διαθέτουν οι συνδεδεµένες συσκευές. Οι δυνατότητες αυτές µπορεί να είναι δυνατότητες αποθήκευσης, επεξεργασίας, επικοινωνίας µε εξωτερικά συστήµατα κ.λ.π. Η κατανεµηµένη χρήση πόρων είναι από τα πλέον σηµαντικά χαρακτηριστικά των Τοπικών ικτύων. Στο σχήµα 2.2 έχουµε µία γραφική περιγραφή του Resource sharing. Τα PCs που περιλαµβάνονται στο Τοπικό ίκτυο (LAN) έχουν τη δυνατότητα να χρησιµοποιούν την µονάδα µαζικής αποθήκευσης που είναι συνδεδεµένη στο workstation A (DAT). Επίσης, αν το workstation B διαθέτει αυξηµένες δυνατότητες επεξεργασίας (π.χ. εγκατεστηµένα ισχυρά πακέτα στατιστικής επεξεργασίας), τα PCs µπορούν να αναθέσουν εργασίες προς εκτέλεση στο workstation B. Τέλος, η ύπαρξη του Gateway (G) δίνει σε κάθε 9

11 µηχανή του Τοπικού ικτύου την δυνατότητα προσπέλασης του δορυφορικού καναλιού µέσω του επίγειου σταθµού που φαίνεται στο σχήµα. Άρα, οι δυνατότητες των workstations A και Β και του Gateway είναι διαθέσιµες σε όλες τις µηχανές του δικτύου. PC PC WORKSTATION B G PC WORKSTATION A DAT Σχήµα 2.2 Παράδειγµα Resource Sharing στ. Ρυθµοί λαθών µετάδοσης. Τα τοπικά δίκτυα χαρακτηρίζονται από πολύ χαµηλούς ρυθµούς λαθών µετάδοσης αν και οι ταχύτητες λειτουργίας είναι της τάξεως των Mbits/sec. Αυτό είναι συνέπεια του µικρού µήκους των Τοπικών ικτύων σε συνδυασµό µε την υψηλή ποιότητα των χρησιµοποιουµένων γραµµών µεταφοράς (οµοαξονικά ή συνεστραµένα καλώδια, οπτικές ίνες, κλπ). 10

12 2.3 Τοπολογίες των Τοπικών ικτύων (LAN Topologies) Ένα Τοπικό ίκτυο αποτελείται από έναν αριθµό συνδεδεµένων σ' αυτό, υπολογιστικών συστηµάτων και από το σύστηµα των γραµµών µεταφοράς οι οποίες διακινούν την πληροφορία µεταξύ των υπολογιστικών συστηµάτων. Στο σχήµα 2.3 δίνεται µία σχηµατική παράσταση ενός δικτύου επικοινωνίας σε πολύ γενικευµένη µορφή. Ένας αριθµός υπολογιστών (κάθε τύπου) συνδέεται µε τα επικοινωνιακά µέσα (σύστηµα γραµµών µεταφοράς). Η σύνδεση κάθε συσκευής µε το δίκτυο γίνεται µέσω ενός, εξειδικευµένου για τον σκοπό αυτό, τµήµατος Hardware το οποίο µπορεί να ονοµασθεί Network Interface ή σε ελεύθερη µετάφραση : Σύστηµα ιασύνδεσης µε το ίκτυο. Network Stations Host Computers Network Interfaces Communication Medium Σχήµα 2.3 Γενικευµένη δοµή ενός LAN Ο όρος Τοπολογία του Τοπικού ικτύου αναφέρεται στην δοµή των γραµµών µεταφοράς του δικτύου και στον τρόπο σύνδεσης των σταθµών του δικτύου µε τις γραµµές µεταφοράς. Στη συνέχεια τα υπολογιστικά συστήµατα που είναι συνδεδεµένα στο δίκτυο θα αναφέρονται σαν Σταθµοί του δικτύου (Network Stations) ή σαν Χρήστες του δικτύου (Network Users) ή σαν Κόµβοι του δικτύου (Network Nodes). Oι γραµµές µεταφοράς θα αναφέρονται σαν Επικοινωνιακά Μέσα ή Κανάλια (Communication Media - Channels). Στο σχήµα 2.4 περιλαµβάνονται παραδείγµατα τεσσάρων τοπολογιών που χρησιµοποιούνται στην συντριπτική πλειονότητα των Τοπικών ικτύων και είναι γνωστές σαν κανονικές τοπολογίες. Περιλαµβάνεται επίσης ένα παράδειγµα τυχαίας τοπολογίας (Unconstrained Topology) που συναντάται περισσότερο σε συστήµατα ευρείας έκτασης (Wide Area Networks - WANs). Οι Τοπολογίες των Τοπικών ικτύων περιγράφονται συνοπτικά ως εξής: 11

13 2.3.1 Τοπολογία αστέρος (Star Topology) Η Τοπολογία αστέρος επιτρέπει την διασύνδεση µεταξύ των σταθµών του δικτύου, µέσω ενός κεντρικού κόµβου ο οποίος αναλαµβάνει την µεταφορά κάθε πακέτου πληροφορίας από τον σταθµό αποστολέα προς τον σταθµό παραλήπτη. Συνεπώς, κάθε κόµβος του δικτύου συνδέεται απ' ευθείας µε τον κεντρικό σταθµό όπως φαίνεται στην τυπική δοµή του σχήµατος 2.4.α. a. Star b. Bus c. Ring d. Tree e. Unconstrained Σχήµα 2.4 Τοπολογίες Τοπικών ικτύων Είναι σαφές ότι η τοπολογία αστέρος έχει έντονα κεντρικοποιηµένο χαρακτήρα. Ο κεντρικός κόµβος είναι απαραίτητος για την λειτουργία του δικτύου και κατάρρευση του κόµβου αυτού (failure) σηµαίνει κατάρρευση όλου του δικτύου. Άρα, ο κεντρικός κόµβος απαιτείται να έχει αυξηµένη αξιοπιστία, κάτι που µεταφράζεται σε αυξηµένο κόστος. Απ' την άλλη πλευρά η κεντρικοποιηµένη λειτουργία δικτύων τύπου αστέρος έχει και κάποια πλεονεκτήµατα. Η ύπαρξη µιας γραµµής µεταξύ κάθε σταθµού και κεντρικού κόµβου απαλλάσσει τους σταθµούς του δικτύου από επιβαρηµένους αλγόριθµους ελέγχου και προσπέλασης στο δίκτυο. Επίσης, όλες οι διαδικασίες δροµολόγησης αναλαµβάνονται από τον κεντρικό σταθµό. Παραδείγµατα τέτοιων δοµών είναι οι συνδέσεις των τερµατικών ενός minicomputer ή ενός mainframe µε την κεντρική µονάδα. Αν και στο παράδειγµα αυτό ο κύριος όγκος των λειτουργιών βασίζεται στην επικοινωνία µεταξύ τερµατικού και κεντρικής µονάδας, κάθε επικοινωνία µεταξύ τερµατικών χρησιµοποιεί ως ενδιάµεσο τον κεντρικό κόµβο. Άλλα γνωστά 12

14 συστήµατα µε τοπολογία αστέρος είναι τα τηλεφωνικά δίκτυα είτε αυτά είναι συµβατικά δίκτυα είτε δίκτυα ψηφιακής τηλεφωνίας ή ακόµη ISDN δίκτυα (Integrated Services Digital Networks). Στην περίπτωση αυτή κεντρικό σύστηµα είναι το τηλεφωνικό κέντρο και κάθε χρήστης (συνδροµητής) συνδέεται κατ' ευθείαν µε το κέντρο Τοπολογία ιαύλου ή Ανοικτού Βρόγχου (Bus Topology) Μια τυπική τοπολογία ανοικτού βρόγχου φαίνεται στο σχήµα 2.4.β. Όλοι οι σταθµοί του δικτύου είναι συνδεδεµένοι πάνω σε ένα κοινό επικοινωνιακό µέσο το οποίο αναλαµβάνει να µεταφέρει τα πακέτα πληροφορίας από την πηγή προς τον προορισµό. Το επικοινωνιακό µέσο στις περισσότερες περιπτώσεις είναι ένα παθητικό µέσο όπως ένα συνεστραµµένο καλώδιο (twisted pair) ή ένα οµοαξονικό καλώδιο (coaxial cable) ή ακόµη και ο αέρας όταν χρησιµοποιείται ραδιοζεύξη, ή υπέρυθρη ακτινοβολία για την µεταφορά της πληροφορίας. Η χρήση οπτικών ινών µπορεί να υιοθετηθεί επίσης, αν και λόγω της µονοκατευθυντήριας λειτουργίας των ινών, είναι απαραίτητη η ύπαρξη δύο παράλληλων γραµµών (inbound και outbound bus). Το µέσο επικοινωνίας (Bus) θεωρείται παθητικό ακόµη κι όταν παρεµβάλλονται ενεργές συσκευές ενίσχυσης (repeaters), κάτι απαραίτητο σε buses µεγάλου µήκους. Το σηµαντικό στοιχείο είναι ότι οποιοδήποτε πακέτο πληροφορίας µεταδοθεί στο Bus, γίνεται αντιληπτό και λαµβάνεται από όλους τους σταθµούς. Επιπλέον δίκτυα µε τοπολογία Bus χαρακτηρίζονται πολλές φορές σαν ίκτυα Πολλαπλής Προσπέλασης (Multiple Access Networks). Αυτό συµβαίνει επειδή το µέσο επικοινωνίας είναι προσπελάσιµο από όλους τους σταθµούς του δικτύου. Συνέπεια του γεγονότος αυτού είναι και η αναγκαιότητα για την υλοποίηση κανόνων προσπέλασης έτσι ώστε να αποφεύγονται φαινόµενα συγκρούσεων (collisions) µεταξύ των σταθµών. Η σύγκρουση εδώ εννοείται σαν η κατάσταση εκείνη στην οποία δύο ή περισσότεροι σταθµοί εκπέµπουν συγχρόνως πάνω στο κοινό κανάλι µε αποτέλεσµα τα πληροφοριακά πακέτα να αλληλοκαταστρέφονται. Γενικά η σύγκρουση είναι µια ανεπιθύµητη κατάσταση η οποία σηµαίνει απώλεια χρόνου για όλο το δίκτυο. Στην σχεδίαση δικτύων η πιθανότητα σύγκρουσης αντιµετωπίζεται συχνά σαν κάτι συνυφασµένο µε την λειτουργία του δικτύου, οπότε και αντιµετωπίζεται µε χρήση προσχεδιασµένων αλγορίθµων. Παραδείγµατα τέτοιων δικτύων είναι τα ΑLOHA, Ethernet, κ.λ.π. Σε άλλες περιπτώσεις η σύγκρουση αποκλείεται από τους κανόνες προσπέλασης του µέσου και όταν συµβεί οφείλεται σε λανθασµένη λειτουργία ενός ή περισσοτέρων σταθµών. Τέτοια δίκτυα είναι τα δίκτυα που λειτουργούν σύµφωνα µε πρωτόκολλα όπως το TDMA (Time Division Multiple Access). 13

15 Κλείνοντας, θα αναφέρουµε ένα σηµαντικότατο πλεονέκτηµα της Τοπολογίας ανοικτού βρόγχου, το οποίο ισχύει λόγω της παθητικής λειτουργίας του επικοινωνιακού µέσου. Οι τοπολογίες Bus χαρακτηρίζονται από αυξηµένη αξιοπιστία επειδή το επικοινωνιακό µέσο, σαν παθητικό, είναι πολύ λιγότερο ευάλωτο σε βλάβες και δυσλειτουργίες. Επιπλέον το γεγονός ότι κάθε σταθµός του δικτύου εκτελεί, στην γενική περίπτωση, τους αλγόριθµους προσπέλασης ανεξάρτητα από τους υπόλοιπους σταθµούς, συνεπάγεται ότι η κατάρρευση (failure) ενός σταθµού, δεν επηρεάζει δυσµενώς την λειτουργία του υπόλοιπου δικτύου. ίκτυα µε τοπολογία Bus έχουν προταθεί σε µια πληθώρα εργασιών. ύο γνωστά παραδείγµατα τέτοιων δικτύων είναι το Ethernet και το Token Bus, τα οποία αποτελούν διεθνή πρότυπα (standards) και περιλαµβάνονται στις δραστηριότητες προτυποποίησης της επιτροπής 802 του ΙΕΕΕ (Institute of Electrical and Electronics Engineers) Η Τοπολογία ακτυλίου ή Κλειστού Βρόγχου (Ring Topology) Η Τοπολογία ακτυλίου φαίνεται στο σχήµα 2.4.γ. Στην τοπολογία αυτή οι σταθµοί συνδέονται διαδοχικά και ο πρώτος συνδέεται επίσης µε τον τελευταίο έτσι ώστε να σχηµατίζεται ένας κλειστός δακτύλιος (ring). Στην τοπολογία δακτυλίου οι σταθµοί παρεµβάλλονται ενεργητικά στις γραµµές µεταφοράς και κάθε πακέτο πληροφορίας ξεκινά από τον σταθµό - αποστολέα και φθάνει στον σταθµό - παραλήπτη αφού περάσει µέσα από τους ενδιάµεσους σταθµούς που παρεµβάλλονται. Οι ενδιάµεσοι σταθµοί ενεργούν σαν επαναλήπτες (repeaters). Αν και η ενεργητική παρεµβολή κάθε σταθµού στο δίκτυο δηµιουργεί κάποια προβλήµατα αξιοπιστίας, η τοπολογία ring έχει το µεγάλο πλεονέκτηµα των σύγχρονων (ή πολλαπλών) µεταδόσεων. Το πλεονέκτηµα αυτό έγκειται στο ότι σε ένα δίκτυο βρόγχου µπορούν συγχρόνως να συµβαίνουν περισσότερες από µία µεταδόσεις επειδή το δίκτυο διαθέτει πολλές ανεξάρτητες γραµµές µεταφοράς (µία γραµµή µεταξύ δύο διαδοχικών σταθµών). Η αξιοπιστία ενός τέτοιου δικτύου µπορεί να αυξηθεί µε χρήση δύο αντί ενός βρόγχων και ένας σηµαντικός αριθµός δικτύων βρόγχου έχουν ήδη προταθεί. Η επιτροπή 802 του ΙΕΕΕ έχει καταλήξει στην προτυποποίηση ενός είδους δικτύου βρόγχου το οποίο είναι γνωστό σαν Token Ring Η Τοπολογία ένδρου (Tree Topology) Το σχήµα 2.4.δ είναι αναπαράσταση µιας Τοπολογίας ένδρου. Στις τοπολογίες αυτές θεωρούµε µία οργάνωση του όλου δικτύου κατά επίπεδα. Το δίκτυο αρχίζει από έναν κόµβο 14

16 στο πρώτο επίπεδο ο οποίος συνδέεται µε έναν αριθµό κόµβων του επόµενου επιπέδου οι οποίοι θεωρούνται θυγατρικοί κόµβοι του πρώτου. (a) (b) Σχήµα 2.5 ιαδροµές σε Τοπολογία ένδρου και η έννοια star-of-stars Οµοίως κάθε κόµβος του επιπέδου αυτού συνδέεται µε έναν αριθµό κόµβων του αµέσως επόµενου επιπέδου και η ίδια δοµή επαναλαµβάνεται για όλα τα διαδοχικά επίπεδα. Με τον τρόπο αυτό ο αριθµός των κόµβων ενός επιπέδου αυξάνεται µε γεωµετρικό τρόπο σε συνάρτηση µε την τάξη του επιπέδου. Στην τοπολογία δένδρου, υπάρχει µία µόνον δυνατή διαδροµή για την µεταφορά ενός πακέτου, η οποία (διαδροµή) εξαρτάται από τις θέσεις του αποστολέα και του παραλήπτη σταθµού στο δένδρο. Το σχήµα 2.5.α δίνει παραδείγµατα τέτοιων διαδροµών σε µια τοπολογία δένδρου. Η τοπολογία δένδρου, µπορεί να νοηθεί και σαν σύστηµα επιµέρους τοπολογιών αστέρος. Το σχήµα 2.5.β δίνει γραφικά την άποψη αυτή. Για τον λόγο αυτό η τοπολογία δένδρου αναφέρεται πολλές φορές και σαν star-of-stars topology Μη Κανονικές Τοπολογίες (Unconstrained Topologies) Όλοι οι προηγούµενοι τύποι τοπολογιών ακολουθούν ένα γεωµετρικά συµµετρικό σχήµα και ανάλογα µε τα επιµέρους πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα, κάθε τύπος είναι ενδεδειγµένος για ένα συγκεκριµένο περιβάλλον και µία συγκεκριµένη εφαρµογή. Εκτός των προηγουµένων τύπων υπάρχουν βέβαια και µη κανονικές τοπολογίες (unconstrained topologies) όπως στο παράδειγµα του σχήµατος 2.4.ε. Οι τοπολογίες αυτές υιοθετούνται συνήθως σε περιπτώσεις ικτύων Ευρείας Περιοχής (WANs), ενώ είναι σπάνιες σε τοπικό περιβάλλον (LANs). Μια unconstrained τοπολογία διαµορφώνεται µετά από εκτίµηση του αναµενόµενου φορτίου µεταξύ των θέσεων που θα διασυνδεθούν και ο στόχος είναι συνήθως η ελαχιστοποίηση του κόστους των γραµµών µεταφοράς. Αυτός είναι και ο λόγος που η συντριπτική πλειονότητα των δικτύων µη κανονικής τοπολογίας είναι ίκτυα Ευρείας Περιοχής (WANs). Το πιο χαρακτηριστικό παράδειγµα δικτύου µε µη κανονική τοπολογία είναι το INTERNET. 15

17 2.4 Γραµµές Μεταφοράς (Transmission Media) Οι Γραµµές Μεταφοράς ενός Τοπικού ικτύου Υπολογιστών είναι τα στοιχεία εκείνα που εξασφαλίζουν την φυσική σύνδεση µεταξύ των κόµβων του δικτύου. Ο ρόλος των γραµµών αυτών είναι η µεταφορά κατάλληλα διαµορφωµένων παλµών ηλεκτρικής, ηλεκτροµαγνητικής ή φωτεινής ενέργειας. Το είδος της διαµόρφωσης αυτών των ενεργειακών παλµών εξαρτάται από την χρησιµοποιούµενη µέθοδο κωδικοποίησης πάνω στη γραµµή (Line Coding) ενώ το είδος της διαµορφούµενης ενέργειας (ηλεκτρική, οπτική ή ηλεκτροµαγνητική) εξαρτάται από τον τύπο της γραµµής µεταφοράς. Στη συνέχεια θα αναφερθούµε στα συνηθέστερα είδη γραµµών µεταφοράς που χρησιµοποιούνται στα Τοπικά ίκτυα. Μια πρώτη ταξινόµηση των γραµµών µεταφοράς είναι ο διαχωρισµός µεταξύ περιορισµένων (bounded) µέσων, και µη περιορισµένων (unbounded) µέσων. Παραδείγµατα περιορισµένων µέσων είναι οι διάφοροι τύποι καλωδίων και οι οπτικές ίνες, ενώ µη περιορισµένο µέσο είναι ο αέρας µέσα από τον οποίο µπορεί να µεταδοθεί ηλεκτροµαγνητική ή υπέρυθρη ακτινοβολία (infra-red). Οι πλέον διαδεδοµένοι τύποι γραµµών µεταφοράς στα Τοπικά ίκτυα είναι οι εξής : Συνεστραµένα Καλώδια (Twisted pairs) Πρόκειται για ζεύγη χάλκινων µονωµένων και παράλληλων αγωγών. Οι δύο αγωγοί είναι συνεστραµένοι µε στόχο την µείωση των παρεµβολών από γειτονικά ζεύγη ή γενικά την µείωση των επιδράσεων από εξωτερικές γραµµές ηλεκτροµαγνητικού θορύβου. Τα συνεστραµένα ζεύγη χρησιµοποιήθηκαν αρχικά στην τηλεφωνία στην οποία βρίσκουν και σήµερα ευρύτατη εφαρµογή. Στα Τοπικά ίκτυα βρίσκουν εφαρµογή σαν λύσεις χαµηλού κόστους. Γενικά τα twisted pairs που χρησιµοποιούνται στα Τοπικά ίκτυα µπορούν να γεφυρώσουν περιορισµένες αποστάσεις της τάξεως των 100 µέτρων ενώ οι ρυθµοί µετάδοσης είναι της τάξεως των 100 Mbps Οµοαξονικά Καλώδια (Coaxial Cables) Τα οµοαξονικά καλώδια, προσφέρουν σαφώς µεγαλύτερο εύρος ζώνης από τον προηγούµενο τύπο γραµµής µεταφοράς. Το οµοαξονικό καλώδιο αποτελείται από έναν κεντρικό αγωγό κυλινδρικού σχήµατος ο οποίος περιβάλλεται από έναν επίσης κυλινδρικό εξωτερικό αγωγό. Μεταξύ των δύο αγωγών παρεµβάλλεται διηλεκτρικό υλικό που δρα σαν µονωτής. Το όλο σύστηµα, τέλος, προστατεύεται από ένα εξωτερικό µονωτικό περίβληµα. Η διαµόρφωση του εξωτερικού αγωγού ο οποίος περιβάλλει πλήρως τον εσωτερικό έχει σαν αποτέλεσµα την µεγάλη ανοσία των καλωδίων αυτών σε εξωτερικές παρεµβολές και θορύβους, γεγονός που 16

18 οδηγεί σε πολύ χαµηλούς ρυθµούς λαθών στο µέσο µεταφοράς. Το πλεονέκτηµα αυτό σε συνδυασµό µε το αυξηµένο εύρος ζώνης των οµοαξονικών καλωδίων είναι οι λόγοι για την επιλογή του τύπου αυτού σε πολλές υλοποιήσεις Τοπικών ικτύων. Το µειονέκτηµα των οµοαξονικών καλωδίων είναι ότι δεν είναι τόσο πρακτικά στην συνδεσµολογία τους όσο τα συνεστραµένα ζεύγη. Επίσης, το κόστος των οµοαξονικών καλωδίων είναι µεγαλύτερο από αυτό των συνεστραµένων ζευγών. Κλασικό παράδειγµα δικτύων που χρησιµοποιούν οµοαξονικό καλώδιο ήταν οι υλοποιήσεις του Ethernet παλαιότερα, στις οποίες γινόταν χρήση δύο εναλλακτικών τύπων οµοαξονικών καλωδίων και ανάλογα µε τον χρησιµοποιούµενο τύπο καλωδίου, το δίκτυο χαρακτηριζόταν σαν thick (παχύ) Ethernet µε διάµετρο καλωδίου 0.5 in. ή thin (λεπτό) Ethernet µε διάµετρο καλωδίου 0.17 in Οπτικές ίνες (Optical Fibers) Η τεχνολογία των οπτικών ινών είχε ραγδαία εξέλιξη κατά την διάρκεια των δύο τελευταίων δεκαετιών και προσφέρει σήµερα προϊόντα µε δυνατότητες ζεύξης µεγάλων αποστάσεων σε πολύ υψηλές ταχύτητες και, συγχρόνως, µε προσιτό κόστος. Η οπτική ίνα µεταφέρει διαµορφωµένους παλµούς οπτικής φωτεινής ενέργειας και µπορεί να θεωρηθεί σαν κυλινδρικός κυµατοδηγός που λειτουργεί στην περιοχή των οπτικών συχνοτήτων. Η δοµή τυπικών οπτικών ινών δίνεται στο σχήµα 2.6. Το µέσο αυτό αποτελείται από δύο διαφανή υλικά, τον πυρήνα (core) και το περίβληµα (cladding). Ο πυρήνας έχει συντελεστή ανακλάσεως n1 και ορισµένη ακτίνα α (Σχήµα 2.6). Το περίβληµα έχει διαφορετικό συντελεστή ανακλάσεως n2, και ισχύει n2 < n1, έτσι ώστε να έχουµε το φαινόµενο της ολικής ανακλάσεως του φωτός στο όριο µεταξύ πυρήνα και περιβλήµατος. Οι παλµοί του φωτός µεταφέρονται µέσα από τον πυρήνα της ίνας µε διαδοχικές ανακλάσεις στο περίβληµα. Οι επιδόσεις των οπτικών ινών περιορίζονται από το φαινόµενο των πολλαπλών modes µετάδοσης, δηλαδή από το γεγονός ότι η φωτεινή ενέργεια ενός παλµού µπορεί να ανακλασθεί µε πολλούς διαφορετικούς τρόπους ταυτόχρονα στο περίβληµα, όπως φαίνεται στο σχήµα 2.6.β. Το αποτέλεσµα είναι ότι κλάσµατα της φωτεινής ενέργειας ενός παλµού έχουν να διανύσουν µεγαλύτερη απόσταση µεταξύ των διαδοχικών σηµείων ανάκλασης. Το φαινόµενο αυτό έχει σαν αποτέλεσµα ένας "στενός" παλµός, (παλµός µικρής διάρκειας), να φθάνει στον δέκτη διαπλατυσµένος. Το φαινόµενο αυτό ονοµάζεται dispersion (διάχυση), και θέτει περιορισµούς στην µέγιστη απόσταση που µπορεί να καλυφθεί χωρίς την χρήση επαναλήπτη (repeater) και στην µέγιστη συχνότητα λειτουργίας της ίνας. Οι ίνες αυτού του είδους ονοµάζονται multimode fibers. Για τον περιορισµό του φαινοµένου της διάχυσης έχει αναπτυχθεί ο τύπος των monomode fibers, στις οποίες η διάµετρος του πυρήνα είναι πολύ µικρότερη, περιορίζοντας έτσι τις πολλαπλές modes διάδοσης. 17

19 Ένας άλλος τρόπος βελτίωσης των επιδόσεων µιας οπτικής ίνας είναι η χρήση υλικών µε βαθµιαία µεταβολή του συντελεστή ανακλάσεως από µία µέγιστη τιµή (στο κέντρο του πυρήνα) προς µία ελάχιστη τιµή (στο περίβληµα). Το σχήµα 2.6.γ δείχνει το προφίλ του συντελεστού ανακλάσεως σε µία ίνα αυτού του τύπου. Οι ίνες του τύπου αυτού αναφέρονται σαν graded-index fibers ενώ οι ίνες µε την βηµατική αλλαγή του συντελεστή ανάκλασης στο όριο πυρήνα - περιβλήµατος, αναφέρονται σαν step-index fibers. Η διάµετρος του πυρήνα µιας multimode ίνας είναι µεταξύ 50 και 200 µm. Ο πυρήνας µιας monomode ίνας µπορεί να έχει διάµετρο µεταξύ 8 και 12 µm. Τέλος, στην περίπτωση των ινών graded-index ο πυρήνας έχει διάµετρο περίπου 50 µm. Προφίλ συντελεστών διάθλασης n2 n1 Monomode step-index Multimode step-index Multimode graded-index Σχήµα 2.6 οµή και λειτουργία των οπτικών ινών Άλλα µέσα µετάδοσης Οι προηγούµενοι τύποι γραµµών µεταφοράς χρησιµοποιούνται στην συντριπτική πλειονότητα των εν λειτουργία Τοπικών ικτύων. Επίσης εκτός των τύπων αυτών αξίζει να αναφερθεί η χρήση του αέρα σαν µέσο µεταφοράς είτε ηλεκτροµαγνητικής (ασύρµατα ραδιοκανάλια) είτε υπέρυθρης (infra-red) ακτινοβολίας. Παράδειγµα χρήσης ραδιοζεύξεων σαν επικοινωνιακό 18

20 µέσο σε δίκτυο υπολογιστών είναι το ιστορικό δίκτυο ALOHA που αναπτύχθηκε από το Πανεπιστήµιο της Χαβάης και ήταν το πρώτο τοπικό δίκτυο. Η χρήση του ελεύθερου χώρου σε περιβάλλον Τοπικού ικτύου είναι εφικτή και µε τη µορφή υπέρυθρων ζεύξεων (infra-red). Αν και υπάρχουν ορισµένα πρακτικά προβλήµατα, οι υπέρυθρες ζεύξεις είναι µια ενδιαφέρουσα λύση για περιβάλλοντα υψηλού θορύβου ή για υλοποιήσεις ασύρµατων Τοπικών ικτύων. Ήδη έντονη δραστηριότητα παρατηρείται στην τεχνολογική αυτή περιοχή, µε αποτέλεσµα την ανάπτυξη διεθνών προδιαγραφών, όπως η προδιαγραφή IEEE και την εµφάνιση ανάλογων προϊόντων, όπως τα Wi-Fi interfaces µε τα οποία εξοπλίζονται αρκετές συσκευές (συνήθως φορητές όπως π.χ. τα laptop computers). Κλείνοντας, το τµήµα αυτό θα πρέπει να παρατηρήσουµε ότι, η µέθοδος της φυσικής σύνδεσης µεταξύ των κόµβων ενός Τοπικού ικτύου, δηλαδή ο τύπος της γραµµής µεταφοράς, σχετίζεται άµεσα µε την τοπολογία του δικτύου και µε το περιβάλλον λειτουργίας του. Επίσης υπάρχουν διάφοροι σηµαντικοί παράγοντες οι οποίοι επηρεάζουν ισχυρά την τελική επιλογή του τύπου της γραµµής µεταφοράς. Τέτοιοι παράγοντες είναι: Το κόστος Η ταχύτητα µετάδοσης Η τάξη µεγέθους των αποστάσεων που θα γεφυρωθούν Οι απαιτήσεις αξιοπιστίας Οι απαιτήσεις ασφάλειας επικοινωνιών κλπ. 19

21 3 Τεχνικές χρήσης των επικοινωνιακών πόρων (Communication Resources) ενός Τοπικού ικτύου Στο τµήµα αυτό παρατίθεται µια περιγραφή των διαφόρων τεχνικών προσπέλασης του επικοινωνιακού µέσου σ' ένα Τοπικό ίκτυο. Ο τρόπος χρήσης των επικοινωνιακών δυνατοτήτων του δικτύου είναι ουσιαστικά ένα σύνολο κανόνων στους οποίους πρέπει να υπακούν όλοι οι σταθµοί του δικτύου. Στην πράξη οι κανόνες αυτοί υλοποιούνται από ένα σύνολο αλγορίθµων οι οποίοι εκτελούνται σε κάθε σταθµό του δικτύου. Οι κανόνες επικοινωνίας είναι µε την έννοια αυτή, κατανεµηµένοι και παράλληλοι. Το σύνολο των κανόνων επικοινωνίας είναι γνωστό και σαν Πρωτόκολλο Επικοινωνίας. Με βάση το επίπεδο των λειτουργιών που ελέγχονται από ένα συγκεκριµένο πρωτόκολλο µπορούµε να κατατάξουµε τα πρωτόκολλα σε µια ιεραρχία επιπέδων. Στο τµήµα αυτό θα εστιάσουµε την προσοχή µας σε τεχνικές που αφορούν την προσπέλαση του επικοινωνιακού µέσου. 3.1 Πληροφοριακά Πακέτα (Information Packets, Data Packets) Ο όρος Πακέτο Πληροφορίας αναφέρεται σε ένα σύνολο bits το οποίο µεταφέρεται σαν ενότητα από ένα σταθµό του δικτύου προς τον παραλήπτη σταθµό. Κάθε πακέτο έχει ένα ορισµένο µήκος. Το µήκος είναι ο συνολικός αριθµός bits που περιέχει το πακέτο. Πολλές φορές το µήκος του πακέτου αναφέρεται µε όρους της διάρκειας του χρόνου που είναι απαραίτητος για την µετάδοση του πακέτου. Αν το µήκος του πακέτου είναι L Bits, τότε η µετάδοση του πακέτου απαιτεί χρόνο tp ίσο µε tp=l*tb, όπου tb η διάρκεια ενός bit πληροφορίας πάνω στο κανάλι και R=1 / tb είναι ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων σε bits/sec. Όταν αρχίσει η µετάδοση ενός πακέτου πάνω στο επικοινωνιακό κανάλι θα συνεχιστεί έως ότου όλο το πακέτο µεταδοθεί, υπό τον όρο βέβαια ότι δεν θα δηµιουργηθούν καταστάσεις σύγκρουσης, δυσλειτουργίας ή άλλου λάθους. Με την έννοια αυτή το πακέτο πληροφορίας είναι η ελάχιστη ποσότητα πληροφορίας πάνω στο κανάλι. Κάθε πακέτο θεωρείται ότι αποτελείται από ένα ορισµένο αριθµό πεδίων (fields). Ένα πεδίο είναι ένα σύνολο bits µε προκαθορισµένο µήκος (αριθµός bits του πεδίου) και προκαθορισµένη σηµασία για όλους τους σταθµούς του δικτύου. Στο σχήµα 3.1 το γεγονός αυτό δίνεται γραφικά. Η δοµή του σχήµατος 3.1 ισχύει για τα περισσότερα Τοπικά ίκτυα ενώ βέβαια, ανάλογα µε τον τύπο του δικτύου, το µήκος των πεδίων ποικίλει. Η γενικευµένη δοµή του σχήµατος 3.1 περιέχει τα εξής πεδία: 20

22 Pr: Preamble. Είναι ένας αριθµός από bits ο ρόλος των οποίων είναι να ενεργοποιήσουν και να συγχρονίσουν τα κυκλώµατα εισόδου του δέκτη. Τα bits αυτά δεν µεταφέρουν χρήσιµη πληροφορία. DA: Destination Address ή ιεύθυνση Προορισµού. Πρόκειται για την κωδικοποιηµένη ταυτότητα του παραλήπτη σταθµού στον οποίο απευθύνεται το πακέτο. SA: Source Address ή ιεύθυνση Πηγής. Είναι η κωδικοποιηµένη ταυτότητα του αποστολέα σταθµού. CF: Control Field ή Πεδίου Ελέγχου. Περιέχει πληροφορίες για τον τύπο του πακέτου δηλαδή για τα δεδοµένα των επόµενων πεδίων, πληροφορίες για την προτεραιότητα του πακέτου κ.λ.π. IF: Information Field ή Πεδίο Πληροφορίας. Είναι ο κορµός του πακέτου επειδή περιέχει την πληροφορία που ο αποστολέας σταθµός επιθυµεί να µεταδώσει. Από µια άποψη είναι η µόνη οµάδα bits του πακέτου που περιέχει χρήσιµη πληροφορία για τους επικοινωνούντες σταθµούς ενώ τα προηγούµενα πεδία υπάρχουν για την υποστήριξη της επικοινωνίας. CRC: Cyclic Redundancy Codes. Πρόκειται για το πεδίο που περιέχει τους κωδικούς ελέγχου λαθών. Το περιεχόµενο του πεδίου αυτού εξαρτάται από το περιεχόµενο των υπολοίπων πεδίων. Το CRC υπολογίζεται από τον σταθµό εκποµπής και προστίθεται στο προς µετάδοση πακέτο. Στο σηµείο λήψης, ο δέκτης υπολογίζει µε τον ίδιο αλγόριθµο το CRC και αν παρατηρηθεί διαφορά µε την τιµή του CRC πεδίου που ελήφθη, ο δέκτης θεωρεί ότι το πακέτο αλλοιώθηκε και το απορρίπτει. Pr DA SA CF IF CRC Pr DA SA CF I F Σχήµα 3.1 Τυπική δοµή πακέτου πληροφορίας Η δοµή του σχήµατος 3.1 και οι µηχανισµοί που περιγράφονται χρησιµοποιούνται από την πλειονότητα των Τοπικών ικτύων. Βέβαια, ο αριθµός των bits κάθε πεδίου, η ακριβής σηµασία των bits αυτών καθώς και οι αλγόριθµοι υπολογισµού του CRC πεδίου, διαφέρουν από δίκτυο σε δίκτυο. Ένα σηµαντικό µέρος της σχεδίασης ενός δικτύου αφορά την δοµή και το περιεχόµενο των πακέτων πληροφορίας. Επιπλέον, σε δίκτυα που χρησιµοποιούν ελεγχόµενες τεχνικές προσπέλασης διακινούνται και πακέτα που δεν µεταφέρουν χρήσιµη πληροφορία αλλά είναι απαραίτητα για την υποστήριξη της επικοινωνίας και αναφέρονται ως πακέτα ελέγχου (Control Packets). 3.2 Πολλαπλή Προσπέλαση και Αφιερωµένες Συνδέσεις Πρόκειται για δύο τεχνικές προσπέλασης που αποτελούν συγχρόνως την βάση για την κατάταξη των Τοπικών ικτύων σε δύο µεγάλες κατηγορίες. Οι τεχνικές αυτές έχουν άµεση σχέση µε την Τοπολογία του δικτύου καθώς κάθε τοπολογία υποδεικνύει και την αποτελεσµατικότερη τεχνική προσπέλασης. Με τον όρο Πολλαπλή Προσπέλαση (Multiple Access) περιγράφεται ένα σύνολο µεθόδων προσπέλασης του καναλιού επικοινωνίας, µε κοινό χαρακτηριστικό το ότι πολλοί σταθµοί χρησιµοποιούν το ίδιο µέσο επικοινωνίας για να µεταδώσουν τα πακέτα πληροφορίας. Η τεχνική αυτή χρησιµοποιείται σχεδόν αποκλειστικά στις τοπολογίες ανοικτού βρόγχου (Bus) ή 21

23 στις περιπτώσεις όπου το µέσο επικοινωνίας είναι ο αέρας, και όλοι οι σταθµοί µεταδίδουν τα πακέτα τους στο κοινό κανάλι. Τυπικά παραδείγµατα τέτοιων δικτύων είναι τα ALOHA, CSMA/CD Bus (Ethernet) και Token Bus. Είναι σαφές ότι, για τον συντονισµό των σταθµών έτσι ώστε να αποφεύγονται συγκρούσεις ή να αφιερώνεται ορθολογικά το κανάλι στους σταθµούς, είναι απαραίτητη η ύπαρξη κανόνων ελέγχου της προσπέλασης. Σε αντιδιαστολή µε την πολλαπλή προσπέλαση είναι η τακτική των Αφιερωµένων Συνδέσεων ή όπως αναφέρεται στην διεθνή βιβλιογραφία η τακτική των peer to peer συνδέσεων. Στην περίπτωση αυτή δύο σταθµοί του δικτύου επικοινωνούν µέσω µίας γραµµής η οποία διασυνδέει αποκλειστικά και µόνον τους δύο αυτούς σταθµούς. Παραδείγµατα peer to peer συνδέσεων έχουµε σε δίκτυα τοπολογίας βρόγχου (Ring Topologies) καθώς επίσης και σε τοπολογίες αστέρος (star) και δένδρου (tree). Οι peer to peer συνδέσεις συνεπάγονται απλούστερους κανόνες ελέγχου αλλά επιβάλλουν σύνθετους κανόνες λειτουργίας του όλου δικτύου προκειµένου να υπάρχει η δυνατότητα κάθε σταθµός του δικτύου να επικοινωνεί µε κάθε άλλο σταθµό (Connectivity). Παραδείγµατα δικτύων µε peer to peer συνδέσεις είναι τα Token Ring και DQDB MAN. 3.3 Πολλαπλή Προσπέλαση και Τεχνικές Ελέγχου Τα δίκτυα Πολλαπλής Προσπέλασης χαρακτηρίζονται από την απλότητα του µέσου επικοινωνίας σε συνδυασµό µε την αυξηµένη συνδετικότητα (Connectivity) του δικτύου. Η απλότητα και η φύση του µέσου (παθητικό κανάλι στις περισσότερες περιπτώσεις) συνεπάγονται αυξηµένη αξιοπιστία του δικτύου συνολικά. Τα πλεονεκτήµατα αυτά συνδυάζονται όµως µε την ανάγκη για αποτελεσµατικούς αλγορίθµους προσπέλασης του κοινού καναλιού έτσι ώστε η απόδοση του δικτύου να µεγιστοποιείται. Στη συνέχεια θα περιγράψουµε τις πιο γνωστές µεθόδους προσπέλασης που χρησιµοποιούνται σε τοπικό περιβάλλον. MULTIPLE ACCESS CONTROLLED RANDOM TDMA Token Bus Polling ALOHA CSMA CSMA/CD Σχήµα 3.2 Κατάταξη βασικών πρωτοκόλλων Πολλαπλής Προσπέλασης 22

24 Μία πρώτη ταξινόµηση των αλγορίθµων πολλαπλής προσπέλασης µπορεί να βασισθεί στην ύπαρξη ή όχι αιτιοκρατικών κανόνων (deterministic rules) οι οποίοι αναθέτουν σε έναν συγκεκριµένο σταθµό το κανάλι για κάθε χρονική στιγµή. Εάν οι σταθµοί του δικτύου προσπελαύνουν το κανάλι κατά έναν προβλέψιµο ή αιτιοκρατικό τρόπο τότε αναφερόµαστε σε Μεθόδους Ελεγχόµενης Προσπέλασης (Controlled Access Methods). Εάν αντίθετα οι σταθµοί προσπελαύνουν το κανάλι µε τυχαίο τρόπο, έτσι ώστε η ακριβής στιγµή της προσπέλασης για κάθε σταθµό να είναι απρόβλεπτη ή µη προκαθορισµένη, τότε έχουµε τις Μεθόδους Τυχαίας Προσπέλασης (Random Access Methods). Το σχήµα 3.2 δίνει την κατάταξη αυτή γραφικά και επιπλέον περιέχει τις βασικές τεχνικές προσπέλασης σε κάθε κατηγορία. Οι τεχνικές προσπέλασης αναφέρονται συχνότατα και σαν πρωτόκολλα του δευτέρου επιπέδου σύµφωνα µε το µοντέλο OSI. Ας σηµειωθεί ότι µια δεύτερη κατάταξη των διαφόρων πρωτοκόλλων πολλαπλής προσέγγισης µπορεί να βασισθεί στον βαθµό που οι χρησιµοποιούµενοι αλγόριθµοι ακολουθούν µια κεντρικοποιηµένη λειτουργία. Εάν ένας συγκεκριµένος σταθµός ελέγχει όλες τις λειτουργίες και παραχωρεί το δικαίωµα χρήσης του καναλιού στους υπόλοιπους έχουµε κεντρικοποιηµένη λειτουργία (centralized). Αν αντίθετα οι αλγόριθµοι εκτελούνται από όλους τους σταθµούς παράλληλα και η προσπέλαση αποφασίζεται από κάθε σταθµό ανεξάρτητα, τότε έχουµε κατανεµηµένη (distributed) λειτουργία. Τα δίκτυα που χρησιµοποιούν κατανεµηµένη λειτουργία είναι γενικά πιο αξιόπιστα καθώς δεν εξαρτώνται από την καλή λειτουργία του κεντρικού σταθµού ελέγχου. Όπως είναι φυσικό, η κεντρικοποιηµένη λειτουργία είναι εφικτή µόνο στις περιπτώσεις των Μεθόδων Ελεγχόµενης Προσπέλασης. Η τεχνική προσπέλασης που χρησιµοποιείται σε ένα Τοπικό ίκτυο επηρεάζει ισχυρά την απόδοση του δικτύου. Μια εναλλακτική διατύπωση του γεγονότος αυτού είναι ότι τα διάφορα χρησιµοποιούµενα πρωτόκολλα επικοινωνίας προσφέρουν διαφορετικές δυνατότητες στους χρήστες του δικτύου. Άρα τα πρωτόκολλα επικοινωνίας είναι αντικείµενα προς αξιολόγηση και σύγκριση. Για τον λόγο αυτό είναι απαραίτητο να δοθούν τα κριτήρια αξιολόγησης των διαφόρων πρωτοκόλλων πριν παρουσιάσουµε τα πρωτόκολλα καθ' εαυτά. Το επόµενο τµήµα είναι εστιασµένο στο ζήτηµα των κριτηρίων και των µεγεθών τα οποία χρησιµοποιούνται ως βάση για την αξιολόγηση των διαφόρων πρωτοκόλλων επικοινωνίας. 3.4 Αξιολόγηση Πρωτοκόλλων Επικοινωνίας - Κριτήρια και χαρακτηριστικά µεγέθη Η διαδικασία της αξιολόγησης ενός πρωτοκόλλου περιλαµβάνει την εκτίµηση ενός αριθµού κρισίµων µεγεθών και την σύγκριση των µεγεθών αυτών µε οµόλογα µεγέθη άλλων πρωτοκόλλων. Για την επιλογή των κρισίµων µεγεθών είναι απαραίτητο να αποµονωθεί το επίπεδο των λειτουργιών που προορίζεται να ελεγχθεί για το υπό αξιολόγηση πρωτόκολλο. 23