Λογισμικό Δικτύων Πέτρος Λάμψας 2007

Transcript

1 Λογισμικό Δικτύων Πέτρος Λάμψας 2007

2 Στόχοι της Ενότητας Η παρουσίαση των λειτουργιών που εκτελούνται από λογισμικό στις επικοινωνίες δεδομένων Η παρουσίαση του τρόπου με τον οποίο δομείται σε τμήματα το λογισμικό των δικτύων δεδομένων Η αλληλεπίδραση μεταξύ των τμημάτων λογισμικού και η επικοινωνία τους μέσω δικτύου Η γνωριμία με τις έννοιες πρωτόκολλο/οικογένεια πρωτοκόλλων Σελίδα 2

3 Λογισμικό Δικτύων Το λογισμικό των δικτύων είναι πολύ σημαντική παράμετρος για τη λειτουργικότητα και τις υπηρεσίες που προσφέρονται από τα δίκτυα Τα ζητήματα με τα οποία πρέπει να ασχοληθεί ο σχεδιαστής λογισμικού για τα δίκτυα είναι πολλά και πολύπλοκα (χειρισμός σφαλμάτων μετάδοσης, έλεγχος ροής, δρομολόγηση πακέτων, κ.λπ.) Σελίδα 3

4 Τι Απαιτήσεις έχει μια Εφαρμογή από το Δίκτυο; Απώλεια δεδομένων Ορισμένες εφαρμογές (π.χ., ήχος) αντέχουν απώλειες Άλλες εφαρμογές (π.χ., μεταφορά αρχείων, telnet) απαιτούν 100% αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων Χρονισμός Ορισμένες εφαρμογές (π.χ., διαδικτυακή τηλεφωνία, διαδραστικά παιχνίδια) απαιτούν χαμηλή καθυστέρηση Εύρος Ζώνης Ορισμένες εφαρμογές (π.χ., πολυμέσα) απαιτούν μια ελάχιστη ποσότητα εύρους ζώνης να είναι διαθέσιμη Άλλες εφαρμογές κάνουν χρήση όσου εύρους ζώνης διαθέτουν Σελίδα 4

5 Υπηρεσίεςμεσύνδεσηκαιχωρίς σύνδεση (I) Υπηρεσία με σύνδεση (connectionoriented service) Αντίστοιχη των τηλεφωνικών κλήσεων, δημιουργείται «σύνδεση» πριν τη μετάδοση των δεδομένων, τα οποία «τοποθετούνται» στο ένα άκρο τηςσύνδεσηςκαι«λαμβάνονται» στο άλλο άκρο της σύνδεσης με την ίδια ακριβώς σειρά που τοποθετήθηκαν Σελίδα 5

6 Υπηρεσίεςμεσύνδεσηκαιχωρίς σύνδεση (II) Υπηρεσία χωρίς σύνδεση (connectionless service) Κάθε πακέτο μεταφέρει την πλήρη διεύθυνση προορισμού του και δρομολογείται μέσα στο δίκτυο ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα Σελίδα 6

7 Συνδέσεις και Δίκτυα Μεταγωγής Πακέτων Πρόκειται για την προετοιμασία των τελικών συστημάτων να παρέχουν την ψευδαίσθηση στις εφαρμογές ότι χρησιμοποιούν ένα δίκτυο μεταγωγής κυκλώματος Υπηρεσία από άκρο σε άκρο (end-to-end) Κάθε σύνδεση δεσμεύει χώρους προσωρινής αποθήκευσης (buffers) στα συστήματα που θα επικοινωνήσουν Χρησιμοποιούνται αριθμοί ακολουθίας στα πακέτα, αναγνωρίσεις και ανίχνευση λαθών (αξιόπιστη υπηρεσία reliable service) Σελίδα 7

8 Μεταφορά με Σύνδεση Σελίδα 8

9 Βασικά Δομικά Τμήματα Υπηρεσίας με Σύνδεση (Service Primitives) Πέντε βασικά δομικά τμήματα για την υλοποίηση μιας απλής υπηρεσίας με σύνδεση Σελίδα 9

10 Δομικά Τμήματα Υπηρεσίας με Σύνδεση Τα μηνύματα που ανταλλάσσονται σε μια απλή αλληλεπίδραση πελάτη-εξυπηρετητή, σε ένα δίκτυο που προσφέρονται υπηρεσίες με σύνδεση Σελίδα 10

11 Η Οργάνωση του Λογισμικού των Δικτύων Για λόγους μείωσης της πολυπλοκότητας τα δίκτυα «οργανώνουν» τις λειτουργίες τους (= υπηρεσίες που παρέχονται σε δύο διεργασίες που επικοινωνούν) σε στρώματα ή επίπεδα (layers) Το κάθε επίπεδο αναλαμβάνει την υλοποίηση μέρους των υπηρεσιών που θα πρέπει να παρέχονται στις επικοινωνίες δεδομένων, και την επικοινωνία με τα γειτονικά επίπεδα (τα οποία με τη σειρά τους κάνουν ακριβώςτοίδιογιατιςδικέςτουςυπηρεσίεςκαιταδικά τους γειτονικά επίπεδα) Σελίδα 11

12 Διαστρωμάτωση Ο χωρισμός των διαδικασιών και των λειτουργιών που πρέπει να συμβούν σε μια επικοινωνία σε επίπεδα, η ανάθεση σε κάθε επίπεδο ενός διακριτού ρόλου για χειρισμό όλων των περιπτώσεων επικοινωνίας Διαστρωμάτωση (Layering) Σελίδα 12

13 Λειτουργίες που Απαιτούνται στις Επικοινωνίες Δεδομένων Ι Μηχανισμός προσδιορισμού αποστολέων και παραληπτών στα επίπεδα Κατεύθυνση επικοινωνίας (simplex, half-duplex, fullduplex) Έλεγχος λαθών (error control) Διατήρηση σειράς μετάδοσης των πακέτων Σελίδα 13

14 Λειτουργίες που Απαιτούνται στις Επικοινωνίες Δεδομένων ΙΙ Έλεγχος ροής (flow control) Έλεγχος συμφόρησης (congestion control) Κατάτμηση, μετάδοση, συναρμολόγηση (fragmentation, transmission, reassembly) Πολυπλεξία Αποπολυπλεξία (multiplexing demultiplexing) Δρομολόγηση (routing) Σελίδα 14

15 Διεπαφές και Υπηρεσίες (Service Access Points) Η λειτουργία κάθε επιπέδου είναι να παρέχει υπηρεσίες στο υπερκείμενο επίπεδο, χρησιμοποιώντας τις υπηρεσίες που του παρέχειτοχαμηλότεροεπίπεδο Οι υπηρεσίες διατίθενται στα σημεία πρόσβασης στην υπηρεσία (διεπαφές ή service access point SAP) Για να ανταλλάξουν δύο επίπεδα πληροφορίες, πρέπει να έχει συμφωνηθεί ένα σύνολο κανόνων σχετικά με τη διεπαφή μέσω της οποίας επικοινωνούν, που αφορούν τον τρόπο ανταλλαγής δεδομένων και πληροφοριών ελέγχου Σελίδα 15

16 Γιατί διαστρωμάτωση; Πολύπλοκα συστήματα: Η σαφής δομή επιτρέπει τον ευκολότερο προσδιορισμό σημείων επέμβασης και τη σχέση μεταξύ των επιπέδων του πολύπλοκου συστήματος Μοντέλο αναφοράς (reference model) με επίπεδα Ο χωρισμός σε επίπεδα διευκολύνει τη συντήρηση και ενημέρωση του συστήματος: Αλλαγή στην υλοποίηση της υπηρεσίας που παρέχει το επίπεδο είναι διαφανής στο υπόλοιπο σύστημα Σελίδα 16

17 Ιεραρχίες Πρωτοκόλλων I Location A Location B 3 I like rabbits Message Philosopher J'aime bien les lapins 3 2 L: Dutch Ik vind konijnen leuk Information for the remote translator Translator L: Dutch Ik vind konijnen leuk 2 1 Fax #--- L: Dutch Ik vind konijnen leuk Information for the remote secretary Secretary Fax #--- L: Dutch Ik vind konijnen leuk 1 Η αρχιτεκτονική φιλόσοφου μεταφραστή - γραμματέως Σελίδα 17

18 Τι είναι ένα πρωτόκολλο; Πρωτόκολλο ανθρώπων και δικτύου υπολογιστών Γειά Γεια Έχετε ώρα; 2:00 χρόνος TCP connection req TCP connection response Get <file> Σελίδα 18

19 Ιεραρχίες Πρωτοκόλλων II (Παράδειγμα) Departing airport ticket (purchase) baggage (check) gates (load) runway takeoff airplane routing ticket (complain) baggage (claim) gates (unload) runway landing airplane routing arriving airport intermediate air traffic sites airplane routing airplane routing airplane routing Σελίδα 19

20 Ιεραρχίες Πρωτοκόλλων IIΙ Σελίδα 20

21 Ιεραρχίες Πρωτοκόλλων ΙV Ο αριθμός των επιπέδων, τα ονόματα, τα περιεχόμενα και η λειτουργία τους, διαφέρουν από δίκτυο σε δίκτυο Οι διεργασίες που απαρτίζουν τα αντίστοιχα επίπεδα σε διαφορετικές μηχανές αποκαλούνται ομότιμες (peers) Οι ομότιμες διεργασίες είναι αυτές που επικοινωνούν χρησιμοποιώντας κάποιο πρωτόκολλο Στην πραγματικότητα κάθε επίπεδο μεταβιβάζει δεδομένα στο αμέσως υφιστάμενό του, μέχρι να φτάσουν στο κατώτατο επίπεδο, ενώ στον παραλήπτη ακολουθείται αντίστροφη διαδικασία Σελίδα 21

22 Ιεραρχίες Πρωτοκόλλων V «Τα πρωτόκολλα παρέχουν τους συντακτικούς και σημασιολογικούς κανόνες για την επικοινωνία. Περιέχουν λεπτομέρειες μορφής των μηνυμάτων που ανταλλάσσονται, περιγράφουν την απόκριση ενός συστήματος στην άφιξη ενός μηνύματος και προσδιορίζουν τον τρόπο με τον οποίο ο υπολογιστής χειρίζεται «λάθη» και άλλες «ανώμαλες» καταστάσεις.» (Comer, 2000) Σελίδα 22

23 H στοίβα πρωτοκόλλων του Internet (Internet protocol stack) Εφαρμογής: υποστήριξη δικτυακών εφαρμογών FTP, SMTP, ΗTTP Μεταφοράς (transport): μεταφορά δεδομένων (segments) από κόμβο σε κόμβο TCP, UDP Δίκτυο: δρομολόγηση των δεδομενογραφημάτων (IP datagrams) από την πηγή στον προορισμό Πρωτόκολλα για IP routing Σύνδεση (ή Ζεύξη): μεταφορά δεδομένων μεταξύ γειτονικών στοιχείων δικτύου application transport network link physical PPP, Ethernet Φυσικό: bits στο καλώδιο Σελίδα 23

24 Αντίληψη Δικτύων Υπολογιστών από τις Εφαρμογές Σελίδα 24

25 Διαστρωμάτωση και Επικοινωνία Ομότιμων Οντοτήτων Σελίδα 25

26 Διαστρωμάτωση Σελίδα 26

27 Hl Διαστρωμάτωση πρωτοκόλλων και δεδομένα I Κάθε επίπεδο παίρνει δεδομένα από το υπερκείμενό του Προσθέτει πληροφορία επικεφαλίδας για να δημιουργήσει νέα μονάδα δεδομένων Περνάει τη μονάδα δεδομένων (Protocol Data Unit PDU) στο υφιστάμενο επίπεδο source destination Ht HnHt HnHt M M M M application transport network link physical application transport network link physical Hl Ht HnHt HnHt M M M M message segment datagram frame Σελίδα 27

28 Διαστρωμάτωση πρωτοκόλλων και δεδομένα II Σελίδα 28

29 Μονάδες Δεδομένων Πρωτοκόλλων Protocol Data Units (PDUs) Σελίδα 29

30 Ένα Παράδειγμα: Μεταφορά Αρχείων Σελίδα 30

31 Σχέση μεταξύ υπηρεσιών και πρωτοκόλλων Ι Η υπηρεσία περιγράφει τις λειτουργίες που παρέχει ένα επίπεδο στους χρήστες του αλλά όχι και το πώς υλοποιούνται αυτές οι υπηρεσίες Οι διεργασίες χρησιμοποιούν τα πρωτόκολλα ώστε να υλοποιήσουν τις υπηρεσίες που παρέχονται από τα επίπεδα Πρωτόκολλα και υπηρεσίες είναι αποσυνδεδεμένα αν αλλάζουν τα πρωτόκολλα χωρίς να αλλάζει η υπηρεσία Σελίδα 31

32 Σχέση μεταξύ υπηρεσιών και πρωτοκόλλων ΙΙ Η σχέση μεταξύ υπηρεσίας και πρωτοκόλλου Σελίδα 32

33 Σχέση μεταξύ υπηρεσιών και πρωτοκόλλων ΙΙΙ Σελίδα 33

34 Σχέση μεταξύ υπηρεσιών και πρωτοκόλλων ΙV Σελίδα 34

35 Μοντέλα Αναφοράς (Reference Models) Πέτρος Λάμψας 2007

36 Μοντέλο Αναφοράς OSI (Open Systems Interconnection ISO/OSI) Σελίδα 36

37 Απλοποιημένο Μοντέλο Αναφοράς Σελίδα 37

38 Απλοποιημένο Μοντέλο Αναφοράς (συνέχεια) Process Process layer protocols Process Transport Transport layer protocols Transport Network Network layer protocols Network Data Link Physical connection Data Link Σελίδα 38

39 Διαστρωμάτωση Πρωτοκόλλων στο WWW Σελίδα 39

40 PDUs στο TCP/IP Σελίδα 40

41 Απλοποιημένο Μοντέλο Αναφοράς (συνέχεια) Σελίδα 41

42 Οικογένεια πρωτοκόλλων TCP/IP Σελίδα 42

43 Το Μοντέλο Αναφοράς που θα χρησιμοποιούμε στο μάθημα Σελίδα 43

44 Ποιος είναι ποιος στον κόσμο των τηλεπικοινωνιών και των δικτύων ITU (International Telecommunications Union) Τυποποίηση και ανάπτυξη τηλεπικοινωνιακών υπηρεσιών και ραδιοεπικοινωνιών IEEE (Institute for Electrical and Electronic Engineers) Τυποποιήσεις μέσω των ομάδων εργασίας 802.x που αφορούν (κυρίως) τοπικά δίκτυα και τεχνολογίες διασύνδεσης τοπικών δικτύων ΙΑΒ (Internet Activities Board) Επιβλέπει την ανάπτυξη της οικογένειας πρωτοκόλλων του Internet (οικογένεια πρωτοκόλλων TCP/IP) Σελίδα 44