Αρχές Θεωρία Δικτύων. Δίκτυα (Αρχές & Θεωρία)

Transcript

1 Αρχές Θεωρία Δικτύων 1

2 Εισαγωγή Έννοια Ιδιότητες Κατηγορίες Τοπολογία Ακτινωτό Κομβικό Βροχικό Γεωγραφία LAN WAN MAN Τύπος Κοινό τηλεφωνικό δίκτυο Ιδιωτικό δίκτυο (Αρχές & Θεωρία) ΔημόσιοΔίκτυα δίκτυο δεδομένων 2

3 Τοπολογική Διαίρεση Δικτύου Ακτινωτό Βρόχου Κομβικό 3

4 Γεωγραφική Διαίρεση Δικτύου Δίκτυα ευρείας περιοχής - WAN (Wide area network) Τοπικά Δίκτυα LAN (Local Area Networks) Αστικά Δίκτυα ΜΑΝ (Metropolitan area networks) 4

5 Κομβικό δίκτυο ευρείας περιοχής (WAN) 5

6 Δίκτυα Τηλεπικοινωνιών - Τύπος Δημόσιο επιλεγόμενο τηλεφωνικό δίκτυο- PSTN (Public Switched Telephone Network) Αφιερωμένες γραμμές Ιδιωτικά δίκτυα Δημόσια δίκτυα δεδομένων ISDN (Integrated Services Digital Network) ISDN στενής ζώνης (narrowband) ISDN ευρείας ζώνης (broadband) DSL (Digital Subscriber Line) INTERNET 6

7 Τεχνικές Δικτύων Δίκτυα Μεταγωγής (Switching) Μεταγωγή κυκλώματος (Circuit switching) Μεταγωγή μηνυμάτων (Message switching) Μεταγωγή πακέτων (Packet switching) Δίκτυα Ακρόασης (Broadcasting) 7

8 Δίκτυα Μεταγωγής (Switching) Μεταγωγή κυκλώματος (Circuit switching) (π.χ Τηλεφωνικό δίκτυο) Μεταγωγή μηνυμάτων (Message switching) 8

9 Δίκτυα Μεταγωγής (Switching) Μεταγωγή πακέτων (Packet switching) α) Δρομολόγηση σε δίκτυο που χρησιμοποιεί datagram switching (μεταγωγή «αυτοδύναμων πακέτων») 9

10 Δίκτυα Μεταγωγής (Switching) Μεταγωγή πακέτων (Packet switching) β) Δρομολόγηση σε δίκτυο που χρησιμοποιεί virtual circuit switching (μεταγωγή «εικονικών κυκλωμάτων») 10

11 Δίκτυα Ακρόασης (Broadcasting) Χαρακτηριστικά Το μέσο επικοινωνίας είναι κοινό για όλους. Δεν υπάρχουν κόμβοι μεταγωγής (switching). Μήνυμα που εκπέμπει ένας σταθμός λαμβάνεται συνήθως από όλους. Μπορεί να υπάρχουν πολλοί πομποί που μοιράζονται χρονικά το ίδιο μέσο μετάδοσης (LAN). Η ύπαρξη ειδικών τεχνικών ελέγχου προσπέλασης προς το κοινό μέσο επικοινωνίας. Τύποι Δορυφορικά δίκτυα. Τοπικά δίκτυα (LAN). Τηλεοπτικά και ραδιοφωνικά δίκτυα. 11

12 Επίπεδα OSI Φυσικό Επίπεδο Ασχολείται με τη μετάδοση των bit μέσω των διαφόρων φυσικών μέσων. Ασχολείται αναλυτικά με τα ηλεκτρικά, μηχανικά και λειτουργικά χαρακτηριστικά των διασυνδέσεων (interface) των δυο υπολογιστικών συστημάτων, τα δυο φυσικά επίπεδα δηλαδή των συμβαλλομένων μερών. Στο επίπεδο αυτό καθορίζεται ο τύπος του connector, τα σήματα μετάδοσης, ο συγχρονισμός των συσκευών, με ποια ηλεκτρική τάση θα παρίσταται το 1 και με ποια το Ο, πόσα μsec διαρκεί ένα bit, ή εάν μπορούν μεταδόσεις να γίνουν ταυτόχρονα και προς τις δύο κατευθύνσεις, πώς εγκαθίσταται η αρχική σύνδεση και πώς αυτή τερματίζεται, όταν και οι δύο πλευρές τελειώνουν, και πόσους ακροδέκτες έχει ο συνδετήρας του δικτύου και πού χρησιμοποιείται ο καθένας. Οι υπηρεσίες που προσφέρει πέρα από την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση της φυσικής σύνδεσης είναι η μεταφορά των δεδομένων σε μορφή bit, σύγχρονα ή ασύγχρονα και η επισήμανση σφαλμάτων μετάδοσης. 15

13 Τοπικά Δίκτυα 24

14 Εισαγωγή Ορισμός Τοπικό δίκτυο επικοινωνιών δεδομένων ονομάζεται ένα δίκτυο όπου τα υπολογιστικά συστήματα που συνδέονται μεταξύ τους ευρίσκονται σε περιορισμένη γεωγραφικά περιοχή. Βασικά στοιχεία Μέσα μετάδοσης -Συσκευές επικοινωνίας Σταθμοί εργασίας (Η/Υ) Interface (π.χ κάρτες δικτύου) Πρωτόκολλα επικοινωνίας (π.χ TCP/IP) Λειτουργικά συστήματα (π.χ Windows NT) Κατηγορίες Δίκτυο Η/Υ Δίκτυο Mainframe - High Speed Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα 25

15 Μέσα Μετάδοσης Τοπικών Δικτύων Συνεστραμμένα ζεύγη Ομοαξονικά καλώδια Οπτικές Ίνες Ασύρματες ζεύξεις 26

16 Μέσα Μετάδοσης Τοπικών Δικτύων Συνεστραμμένα ζεύγη 27

17 Μέσα Μετάδοσης Τοπικών Δικτύων Ομοαξονικά καλώδια 28

18 Μέσα Μετάδοσης Τοπικών Δικτύων Οπτικές Ίνες 29

19 Μέσα Μετάδοσης Τοπικών Δικτύων Ασύρματες ζεύξεις Πρόκειται για συνδέσεις που χρησιμοποιούνται όπου δεν μπορούν ή είναι δύσκολο να τοποθετηθούν καλώδια αλλά έχουν οπτική επαφή ή απευθείας ή μέσω τηλεπικοινωνιακών δορυφόρων. Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται εδώ είναι οι πομποί, οι κεραίες, οι δορυφόροι και οι δέκτες μετάδοσης. Η μετάδοση γίνεται στη ζώνη μικροκυμάτων, υπέρυθρων ακτινών και, σπάνια, ακτινών Laser. Χρησιμοποιούνται επικοινωνίες στην περιοχή MHz, μικροκυματικές συνδέσεις στα 2,4 GHz και 5,8 GHz, καθώς επίσης ζεύξεις υπερύθρων ή laser. 30

20 Τοπολογίες Ακτινωτή (Star) Κοινού δρόμου (Bus) Δένδρου (Bus/Tree) Δακτυλίου (Ring) 31

21 RJ-45 (Jack 45) Χρησιμοποιούνται 8 καλώδια για Ethernet δίκτυα.

22 Συνδεσμολογία συνεστραμμένων straight

23 Συνδεσμολογία συνεστραμμένων crossover

24 Τοπολογίες (σχήματα) 35

25 Τρόποι μετάδοσης Δίκτυα βασικής ζώνης (baseband) Ψηφιακή μετάδοση μέσω ομοαξονικών καλωδίων 50 Ω ή συνεστραμμένων χάλκινων καλωδίων Τοπολογία bus Διπλής κατεύθυνσης π.χ Ethernet - Token Ring Περιορισμοί Τα σημεία σύνδεσης στα ομοαξονικά καλώδια πρέπει να απέχουν μεταξύ τους κατά ακέραια πολλαπλάσια των 2,5 μέτρων, για να αποφεύγεται η συμφασική συμβολή ανακλάσεων που μπορεί να προξενήσει έντονα στάσιμα κύματα και προβλήματα επικοινωνίας. Στα άκρα των καλωδίων πρέπει να τοποθετούνται κατάλληλες διατάξεις τερματισμού με αντίσταση ίση με τη σύνθετη αντίσταση της γραμμής. Δίκτυα ευρείας ζώνης (broadband) Αναλογικό σήμα (συχνότητα από 5 έως 400 MHz σε ομοαξονικό καλώδιο 75 Ω) Μονής κατεύθυνσης (Συνήθως υπάρχουν δυο κανάλια επικοινωνίας ένα προς κάθε κατεύθυνση) 36

26 Τεχνικές Προσπέλασης - Πρωτόκολλα ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΣΤΟ ΜΕΣΟ ΔΙΑΔΟΣΗΣ Τυχαίας προσπέλασης - Contention (π.χ. CSMA/CD σε δίκτυα bus και bus/tree) Προκαθορισμένη round robin (π.χ. Token passing σε δίκτυα bus και ring) 37

27 CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) Το πρωτόκολλο αυτό εφαρμόζεται στα τοπικά δίκτυα τύπου Ethernet (ΙΕΕΕ 802.3) Ο σταθμός ακούει το κανάλι για να διαπιστώσει πότε είναι ελεύθερο. Όταν αντιληφθεί τη αδράνεια του καναλιού, μεταδίδει το πλαίσιο του. Αν όμως, κατά τη διάρκεια της μετάδοσης διαπιστώσει ότι το πλαίσιο του συγκρούεται με κάποιο άλλο πλαίσιο, σταθμού που μεταδίδει ταυτόχρονα, τότε και οι 2 σταθμοί διακόπτουν απότομα τη μετάδοση. 38

28 Τεχνικές Προσπέλασης - Πρωτόκολλα ΤΕΧΝΙΚΕΣ για τοπολογία BUS CSMA/CD (π.χ. Ethernet) - ΙΕΕΕ Token bus - ΙΕΕΕ ΤΕΧΝΙΚΕΣ για τοπολογία δακτυλίου Slotted Ring Cambridge Ring Register Insertion Token Ring - ΙΕΕΕ

29 Τυποποιημένα Τοπικά Δίκτυα Τα πιο αντιπροσωπευτικά τυποποιημένα δίκτυα είναι τα : Ethernet που εκπροσωπεί την τεχνική CSMA/CD σε baseband δίκτυο τοπολογίας bus Fast Ethernet για υψηλές ταχύτητες Token ring για τοπολογία δακτυλίου FDDI ETHERNET Προσφέρει ρυθμούς μετάδοσης 10 Mbps, σε τοπολογίες bus μέσω ομοαξονικού καλωδίου ή κυρίως μέσω συνεστραμμένων καλωδίων. Η Τεχνική προσπέλασης που χρησιμοποιούν οι σταθμοί για το κοινό μέσο είναι η CSMA/CD Τύποι Ethernet Thick Ethernet (10base5) Thin Ethernet (10base2) Twisted pair Ethernet (10baseT) Fiber Ethernet (10baseF) 40

30 Τυποποιημένα Τοπικά Δίκτυα Thick Ethernet (10base5) 41

31 Τυποποιημένα Τοπικά Δίκτυα Thick Ethernet (10base5) Τα υλικά για την υλοποίηση αυτή του Ethernet είναι: Ομοαξονικά καλώδια (διαμέτρου 1cm) των 50Ω. Τερματικές αντιστάσεις (Terminator) των 50Ω. NIC (Network Interface Card). Transceiver. Καλώδιο AUI (με connector τύπου DB15). Περιορισμοί Μέχρι 100 το πολύ transceiver μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα ομοαξονικό καλώδιο και πρέπει να απέχουν τουλάχιστον 2,5 μέτρα μεταξύ τους To μέγιστο μήκος του καλωδίου σύνδεσης AUI (Attachment Unit Interface) μεταξύ transceiver - NIC είναι τα 50 μέτρα. Για την επέκταση του δικτύου σε μεγαλύτερες αποστάσεις και περισσότερους σταθμούς, απαιτείται μία πρόσθετη συσκευή, ο επαναλήπτης (repeater), ο οποίος αποτελείται από δύο transceiver που συνδέουν δύο τμήματα ομοαξονικού καλωδίου και αναγεννά το ψηφιακό σήμα. Ο μέγιστος αριθμός επαναληπτών σύμφωνα με τις συστάσεις της IEEE είναι τέσσερις, ώστε με πέντε τμήματα καλωδίου των 500 μέτρων συνδεδεμένα στη σειρά μέσω των επαναληπτών να επιτυγχάνεται το μέγιστο μήκος των 2,5 Km μεταξύ των ακραίων σταθμών. Με κατάλληλη σύνδεση πολλαπλών σταθμών σε κάποιους transceivers το μέγιστο πλήθος των σταθμών εργασίας που μπορεί Δίκτυα (Αρχέςνα & συνδεθεί Θεωρία) συνολικά σε ένα δίκτυο Ethernet 42

32 Τυποποιημένα Τοπικά Δίκτυα Thin Ethernet (10base2) Χρησιμοποιείται εύκαμπτο ομοαξονικό καλώδιο τύπου RG 58 A/U αντίστασης 50 Ω. 30 το πολύ σταθμοί μπορούν να συνδεθούν πάνω σε κάθε τμήμα του καλωδίου. Η απόσταση μεταξύ των T & υπολογιστών πρέπει να είναι μεγαλύτερη του 0,5 μέτρου. Πέντε τμήματα καλωδίου μπορούν και στην περίπτωση αυτή να διασυνδεθούν σειριακά μεταξύ τους μέσω τεσσάρων επαναληπτών δίνοντας μέγιστο μήκος δικτύου 985 μέτρα και μέγιστο πλήθος χρηστών

33 Τυποποιημένα Τοπικά Δίκτυα Twisted pair Ethernet (10baseT) Είναι τοπολογίας star, που χρησιμοποιεί για μέσον συνεστραμμένα χάλκινα καλώδια Στο κέντρο του αστέρα χρησιμοποιούνται συσκευές συγκέντρωσης καλωδίων που ονομάζονται hub ενώ ο κάθε σταθμός συνδέεται με το hub με ανεξάρτητο καλώδιο Η μέγιστη απόσταση μεταξύ hub και σταθμού εργασίας είναι 100 μέτρα. Μέχρι τέσσερα hub μπορούν να συνδεθούν σε ιεραρχική διάταξη. 44

34 Τυποποιημένα Τοπικά Δίκτυα FAST ETHERNET Προσφέρει ρυθμούς μετάδοσης 100 Mbps. Τεχνολογίες Fast Ethernet: 100BaseT 100VG-AnyLAN 45

35 Διασυνδέσεις Τοπικών Δικτύων Για την διασύνδεση δυο δικτύων ή για την επέκταση αυτών χρησιμοποιούμε αναμεταδότες οι οποίοι μπορούν να μετακινούν πακέτα μεταξύ των δικτύων. Στο πρότυπο OSI οι τέσσερις γνωστές κατηγορίες αναμεταδοτών ανάλογα με το επίπεδο που εφαρμόζονται, είναι οι ακόλουθες : Επαναλήπτες (Repeaters) για το φυσικό επίπεδο. Γέφυρες (Bridges) για το 2ο επίπεδο.(data link) Δρομολογητές (Routers) για το 3ο επίπεδο Πύλες (Gateways) για τα ανώτερα επίπεδα 46

36 Αρχιτεκτονικές & Πρωτόκολλα Η διασύνδεση μεταξύ δικτύων επιτυγχάνεται με την βοήθεια πρωτοκόλλων (όπως TCP/IP, IPX/SPX, Appletalk) του τρίτου και τετάρτου επιπέδου του μοντέλου OSI. To TCP (Transmission Control Protocol) είναι πρωτόκολλο τετάρτου επιπέδου, ενώ το IP (Internet Protocol) είναι του τρίτου. Το TCP/IP είναι κατάλληλο και για WAN και για LAN. Η επικοινωνία στο Internet δουλεύει ως εξής. Το στρώμα μεταφοράς παίρνει τους συρμούς δεδομένων και τους τεμαχίζει σε δεδομενογραφήματα. Θεωρητικά, τα δεδομενογραφήματα μπορεί να φθάνουν μέχρι και τα 64 Kbyte το καθένα, αλλά στην πράξη είναι συνήθως περίπου στα byte. To κάθε δεδομενογράφημα μεταδίδεται μέσω του Internet, πιθανώς τεμαχιζόμενο σε μικρό-τερες μονάδες καθώς προχωρεί. Όταν φθάσουν στον προορισμό όλα τα κομμάτια, συναρμολογούνται από το στρώμα δικτύου στο αρχικό δεδομενογράφημα. Μετά το δεδομενογράφημα παραδίδεται στο στρώμα μεταφοράς, που το δίνει στη λαμβάνουσα διαδικασία. 47

37 Πρωτόκολλα IP (Internet Protocol) TCP (Transfer Control Protocol) UDP (User Datagram Protocol) ICMP (Internet Control Message Protocol) : ARP (Address Resolution Protocol) :Αντιστοιχία IP με Mac Address SLIP (Serial Line IP) PPP (Point to Point Protocol) SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) DNS (Domain Name System) FTP (File Transfer Protocol) SNMP (Simple Network Management Protocol POP3 (Post Office Protocol 3) Πρωτόκολλα επικοινωνίας μεταξύ Router OSPF (Open Shortest Path First) RIP (Routing Information Protocol) 48

38 Πρωτόκολλο IP Δομή δεδομενογραφημάτων IP To δεδομενογράφημα IP αποτελείται από δύο τμήματα: επικεφαλίδα και κείμενο. Η επικεφαλίδα έχει ένα προκαθορισμένο τμήμα των 20 byte κι ένα προαιρετικό τμήμα μεταβλητού μήκους. Το πεδίο Version κρατά την πληροφορία της έκδοσης στην οποία ανήκει το πρωτόκολλο του δεδομενογραφήματος. Επειδή το μήκος της επικεφαλίδας δεν είναι σταθερό, στην επικεφαλίδα περιλαμβάνεται ένα πεδίο, το IHL, για να δείχνει πόσο μεγάλη είναι η επικεφαλίδα σε λέξεις των 32 bit. Η ελάχιστη τιμή είναι 5, που ισχύει όταν δεν υπάρχει προαιρετικό τμήμα. Η μέγιστη τιμή αυτού του πεδίου των 4 bit είναι το 15, που περιορίζει την επικεφαλίδα στα 60 byte κι έτσι το προαιρετικό τμήμα στα 40 byte. 49

39 Πρωτόκολλο IP IP (Internet Protocol) Η μετάδοση στο IP γίνεται με την τεχνική των datagrams Ασχολείται με την διευθυνσιοδότηση, τον κατακερματισμό (fragmentation) μεγάλων πακέτων και την επανασυγκόλληση τους. Το πρωτόκολλο IP δεν θεωρείται αξιόπιστο καθώς δεν εξασφαλίζει την απ' άκρου εις άκρο ακεραιότητα των data με τεχνικές επανεκπομπής, έλεγχο ροής κλπ. Οι λειτουργίες αυτές επιτυγχάνονται με το πρωτόκολλο TCP που είναι στο αμέσως ανώτερο επίπεδο. To IP παραλαμβάνει τα δεδομένα από το επίπεδο μεταφοράς (πχ TCP) σε πακέτα με μέγιστο μέγεθος 64Kbyte. Στο χειρισμό του πρωτοκόλλου IP συμμετέχουν μόνο οι δυο ακραίοι υπολογιστικοί σταθμοί και οι ενδιάμεσοι δρομολογητές (router). Ο router του δικτύου προκειμένου να αποστείλει προς ένα υπολογιστή ενός τοπικά συνδεμένου LAN ένα πακέτο IP που έχει παραλάβει, θα πρέπει να γνωρίζει την διεύθυνση MAC του παραλήπτη. Για την συσχέτιση της IP διεύθυνσης με την διεύθυνση MAC χρησιμοποιείται το πρωτόκολλο ARP (Address Resolution Protocol). 50

40 Πρωτόκολλο IP Διευθυνσιοδότηση σε δίκτυα IP Κάθε IP πακέτο περιέχει την διεύθυνση του αποστολέα και την διεύθυνση του παραλήπτη. Η κάθε μια από τις διευθύνσεις αυτές έχει μήκος 32 bit. Από τα 32 bit της διεύθυνσης δεν είναι σταθερού μήκους ούτε το τμήμα της διεύθυνσης δικτύου ούτε το τμήμα της διεύθυνσης υπολογιστή. Ανάλογα με το πόσο μεγάλο είναι το τμήμα της IP διεύθυνσης που αφιερώνεται ως διεύθυνση δικτύου οι διευθύνσεις διακρίνονται σε τρεις κλάσεις ή τύπους: Κλάση Α: 8 bit διεύθυνση δικτύου / 24 bit διεύθυνση υπολογιστή Κλάση Β: 16 bit διεύθυνση δικτύου / 16 bit διεύθυνση υπολογιστή Κλάση C: 24 bit διεύθυνση δικτύου / 8 bit διεύθυνση υπολογιστή 51

41 Πρωτόκολλο IP IP (Internet Protocol) 52

42 Πρωτόκολλο TCP TCP (Transmission Control Protocol) To TCP έχει τις εξής λειτουργίες και δυνατότητες : Λογική σύνδεση και αποσύνδεση Μετάδοση data Έλεγχο ροής Πολύπλεξη εφαρμογών Αξιοπιστία μετάδοσης Υποστήριξη full duplex επικοινωνίας Προτεραιότητα/Ασφάλεια Για τη μετάδοση δεδομένων TCP/IP μεταξύ δυο σημείων μέσα από σειριακές ψηφιακές η αναλογικές μισθωμένες γραμμές έχουν επικρατήσει δυο πρωτόκολλα το SLIP (Serial Line IP) και το ΡΡΡ (Point to Point Protocol) 53

43 Πρωτόκολλο UDP UDP (User Datagram Protocol) To UDP έχει τις εξής λειτουργίες και δυνατότητες : Μη Αξιόπιστο, χωρίς σύνδεση πρωτόκολλο Δεν παρέχει έλεγχο και διόρθωση λαθών Ιδανικό για μικρά πακέτα δεδομένων Ιδανικό για επικοινωνία Ερώτησης Απάντησης Π.Χ. Μετάδοση φωνής - βίντεο 54

44 Δομημένη Καλωδίωση 55

45 Εισαγωγή Ορισμός Δομημένη καλωδίωση εννοούμε ένα πλήρες καλωδιακό σύστημα που υποδιαιρείται σε αυτόνομα υποσυστήματα Υποσυστήματα Υποσύστημα θέσης εργασίας Οριζόντια καλωδίωση Καλωδίωση κορμού Κατανεμητές Υποσύστημα διαχείρισης Εφαρμογές Τεχνικά στοιχεία Πλεονεκτήματα 56

46 Σύστημα Δομημένης Καλωδίωσης 57

47 Υποσυστήματα Υποσύστημα θέσης εργασίας Οριζόντια καλωδίωση Καλώδια UTP (Unshielded Twisted Pair) Εξασθένηση (Attenuation) Παραδιαφωνία NEXT (Near End Cross Talk) Λόγος εξασθένησης/παραδιαφωνίας (ACR) Καλώδια FTP (Foiled Twisted Pair) Καλώδια STP (Shielded Twisted Pair) Ομοαξονικά καλώδια Οπτικές Ίνες Καλωδίωση κορμού Εσωτερικό δίκτυο Εξωτερικό δίκτυο (campus) Κατανεμητές Κεντρικός 58