Κεφάλαιο 1 Ε Π Α Ν Α Λ Η Ψ Η Αρχές Δικτύων Επικοινωνιών
Τι είναι επικοινωνία; Είναι η διαδικασία αποστολής πληροφοριών από ένα πομπό σε κάποιο δέκτη. Η Τηλεπικοινωνία είναι η επικοινωνία από απόσταση (τηλε-). Η επικοινωνία κάνει τα πράγματα απλούστερα, συντομεύει χρόνους, διευρύνει γνώσεις και ορίζοντες.
Είδη επικοινωνιών Ακουστικές Ομιλία Σφυρίχτρα Μεγάφωνο Ενσύρματες Θυροτηλέφωνο Τηλέφωνο Φαξ Η/Υ Οπτικές Σημαίες Φωτιές Ασύρματες Ασύρματος Κινητό Ραδιόφωνο Δορυφόρος
1.1 Τα επικοινωνιακά υποδίκτυα και οι ανάγκες που εξυπηρετούν Για την επικοινωνία 2 συσκευών πρέπει να υπάρχει μεταξύ τους σύνδεση από σημείο σε σημείο. Η σύνδεση αυτή μπορεί να γίνει με καλώδιο, οπτική ίνα ή ραδιοζεύξη.
Τι είναι επικοινωνιακό δίκτυο; Ένα σύνολο κόμβων συνδεδεμένων με γραμμές επικοινωνίας έτσι ώστε να επιτρέπεται η ανταλλαγή πληροφοριών. Οι κόμβοι μπορεί να είναι: τερματικά ή συσκευές επικοινωνίας. Τερματικοί κόμβοι: παράγουν ή καταναλώνουν την πληροφορία ( τηλέφωνα, υπολογιστές, εκτυπωτές). Επικοινωνιακοί κόμβοι: μεταφέρουν την πληροφορία (δρομολογητές, επαναλήπτες, τηλεφωνικά κέντρα).
Οφέλη δικτύων Διαμοιρασμός πόρων Υψηλή αξιοπιστία Εξοικονόμηση χρημάτων Επικοινωνία
1.2 Η σύγκλιση των επικοινωνιών με την πληροφορική ΟΙ χώροι των επικοινωνιών και πληροφορικής συνδέθηκαν μεταξύ τους και προέκυψε η τηλεπληροφορική. Δεν υπάρχει ουσιαστική διαφορά μεταξύ των 2 άρα χρησιμοποιήθηκε ο ίδιος εξοπλισμός. Ενοποιήθηκαν οι επικοινωνίες δεδομένων, φωνής και εικόνας.
1.3 Υπηρεσίες δικτύου επικοινωνίας Η σύγκλιση των τεχνολογιών των επικοινωνιών και των υπολογιστών έκανε σήμερα δυνατή την μετάδοση κάθε μορφής πληροφορίας. Υπάρχει όμως μια βασική αρχή, όλες οι πληροφορίες είναι σε μορφή bit που μετατρέπεται σε ηλεκτρικό σήμα για να μεταφερθεί από τα μέσα μετάδοσης.
1.3 Υπηρεσίες δικτύου επικοινωνίας Αυτή ή μεταφορά των bits μπορεί να είναι λιγότερο ή περισσότερο αξιόπιστη και να διαρκεί περισσότερο ή λιγότερο χρόνο. Έτσι έχουμε διαφορετικές κατηγορίες υπηρεσιών επικοινωνίας: Σύγχρονες Ασύγχρονες
Σύγχρονη υπηρεσία επικοινωνίας Τα bits μεταδίδονται με σταθερή καθυστέρηση και συγκεκριμένο ρυθμό μετάδοσης. Κάθε bit φτάνει στον προορισμό του με την ίδια καθυστέρηση, ενώ μερικά είναι πιθανό να ληφθούν λάθος. Π.χ. το τηλεφωνικό δίκτυο.
Ασύγχρονη υπηρεσία επικοινωνίας Σειρές από bits διαιρούνται σε πακέτα, τα πακέτα μεταδίδονται ανεξάρτητα το ένα από το άλλο και λαμβάνονται στον προορισμό τους με διαφορετικές καθυστερήσεις και πιθανά εκτός σειράς. Κάποια πακέτα μπορεί να ληφθούν λανθασμένα ή να χαθούν. Υπάρχουν 2 κατηγορίες: Με σύνδεση Χωρίς σύνδεση
Ασύγχρονη υπηρεσία με σύνδεση Ο χρήστης διαθέτει μια αξιόπιστη από άκρο σε άκρο σύνδεση, που μεταφέρει τα πακέτα με τη σειρά που στάλθηκαν. Μπορεί να υπάρχει εγγύηση για την απουσία ή όχι των λαθών.
Ασύγχρονη υπηρεσία χωρίς σύνδεση Ο χρήστης συγκεντρώνει την πληροφορία που έχει να στείλει, της βάζει διεύθυνση παραλήπτη και μετά τη στέλνει ελπίζοντας ότι θα φτάσει στον προορισμό της. Μας θυμίζει το ταχυδρομικό σύστημα. Μερικές υπηρεσίες μπορεί να παρέχουν ένα μηχανισμό επιβεβαίωσης λήψης (συστημένα γράμματα)
Παραδείγματα Όταν απαιτείται σταθερός ρυθμός μετάδοσης bits μέσα από το δίκτυο επικοινωνίας, χρησιμοποιούμε σύγχρονη υπηρεσία (μετάδοση ήχου, κινούμενης εικόνας). Στην ανταλλαγή μηνυμάτων μεταξύ Η/Υ χρησιμοποιούμε ασύγχρονη υπηρεσία με σύνδεση. Όταν στέλνουμε e-mail ή κάνουμε chat όπου έχουμε σποραδική μετάδοση δεδομένων, χρησιμοποιούμε ασύγχρονη υπηρεσία χωρίς σύνδεση.
1.4 Μεταγωγή και πολυπλεξία Είναι δύο τεχνικές που χρησιμοποιούνται για τη μεταφορά της πληροφορίας στο δίκτυο και βοηθούν στην αξιοποίηση των διαθέσιμων πόρων του δικτύου.
Μεταγωγή (switching) Η πληροφορία που στέλνει ένας Η/Υ περνά από διαδοχικούς κόμβους του δικτύου, για να φτάσει στον προορισμό του. Οι κόμβοι μεταγωγής δεν ασχολούνται με το περιεχόμενο της πληροφορίας, απλά την προωθούν. Έτσι χωρίς να είναι αναγκαίο να υπάρχουν γραμμές που συνδέουν όλους τους σταθμούς του δικτύου μεταξύ τους, παρέχεται μέσω του δικτύου μια υπηρεσία επικοινωνίας όπου κάθε σταθμός είναι δυνατό να ανταλλάξει πληροφορία με οποιοδήποτε σταθμό του δικτύου.
Μεταγωγή (switching) Μερικοί κόμβοι συνδέονται με άλλους κόμβους και κάνουν μόνο τη λειτουργία της μεταγωγής. Άλλοι κόμβοι συνδέονται με σταθμούς κι εκτός από την μεταγωγή δέχονται και παραδίδουν δεδομένα στους σταθμούς. Είναι επιθυμητό να υπάρχουν πάνω από μια διαδρομές που να συνδέουν 2 σταθμούς. Το δίκτυο έτσι γίνεται πιο αξιόπιστο. Μέσα στις γραμμές περνάνε περισσότερες από μια συνδέσεις σταθμών (πολυπλεξία)
Πολυπλεξία (multiplexing) Τεχνική που επιτρέπει δεδομένα από πολλούς σταθμούς να μεταδίδονται μέσα από την ίδια γραμμή. Πολυπλέκτης: Συνθέτει (πολυπλέκει) τα δεδομένα από τις ν γραμμές εισόδου και τα μεταδίδει μέσα από γραμμή μεγαλύτερης χωρητικότητας. Αποπολυπλέκτης: Λαμβάνει την πολυπλεγμένη ροή δεδομένων, χωρίζει τα δεδομένα ανάλογα με το κανάλι, στο οποίο ανήκουν και τα οδηγεί στις αντίστοιχες γραμμές εξόδου. Γρήγορη γραμμή (π.χ. οπτική ίνα)
Τεχνικές Μεταγωγής Μεταγωγή κυκλώματος Μεταγωγή πακέτου Η διαφορά τους είναι ο τρόπος που οι κόμβοι προωθούν την πληροφορία από γραμμή σε γραμμή.
Μεταγωγή κυκλώματος Εγκαθίσταται μια αποκλειστική φυσική σύνδεση μεταξύ δύο σταθμών (και των ενδιάμεσων κόμβων) και παραμένει ενεργή σε όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας, ακόμα και όταν δεν ανταλλάσσονται δεδομένα. Αν όλα τα δυνατά κυκλώματα δεσμευτούν, δεν θα μπορέσουν να δημιουργηθούν νέες συνδέσεις. Τυπικό παράδειγμα αυτή της λειτουργίας είναι το τηλεφωνικό δίκτυο για μεταφορά φωνής. Περιλαμβάνει τρεις φάσεις: 1. Αποκατάσταση κυκλώματος 2. Μεταφορά πληροφορίας 3. Τερματισμός κυκλώματος
Αποκατάσταση κυκλώματος Ο σταθμός Α θέλει να επικοινωνήσει με τον Δ.
Μεταφορά πληροφορίας Η μετάδοση είναι συνήθως διπλής κατεύθυνσης
Τερματισμός κυκλώματος Απελευθέρωση των πόρων που είχαν δεσμευτεί για την επικοινωνία. Μπορούν τώρα να χρησιμοποιηθούν σε άλλη επικοινωνία.
Πλεονεκτήματα-Μειονεκτήματα Πλεονεκτήματα Αξιοπιστία Σταθερός ρυθμός χωρίς καθυστερήσεις, όταν αποκατασταθεί η σύνδεση. Μειονεκτήματα Δέσμευση πόρων => μπλοκάρισμα κλήσεων Χαμηλή αξιοποίηση πόρων Καθυστέρηση κατά την αποκατάσταση σύνδεσης.
Μεταγωγή πακέτου Τεμαχισμός πληροφορίας σε πακέτα μικρού αριθμού Bytes. Κάθε πακέτο περιέχει: Τμήμα της προς μετάδοση πληροφορίας Μια διεύθυνση προορισμού Έναν αριθμό σειράς που χρησιμοποιείται από τον σταθμό προορισμού, για να βάλει τα πακέτα που έλαβε στη σωστή σειρά. Κάθε κόμβος, αφού λάβει ολόκληρο το πακέτο, το προωθεί στον επόμενο, αφού εξετάσει τη διεύθυνση προορισμού (αποθήκευση και προώθηση). Κάθε πακέτο μπορεί να ακολουθεί τον ίδιο ή διαφορετικό δρόμο
Μεταγωγή πακέτου
Πλεονεκτήματα μεταγωγής πακέτου Αξιοποίηση των τηλεπικοινωνιακών γραμμών. Κάθε γραμμή χρησιμοποιείται για μετάδοση πακέτων από διαφορετικές συνδέσεις. Η γραμμή δεν μένει ανεκμετάλλευτη. Ο πομπός και ο δέκτης δεν χρειάζεται να μεταδίδουν πακέτα με την ίδια ταχύτητα αφού ο καθένας συνδέεται στον αντίστοιχο κόμβο με την κατάλληλη ταχύτητα. Σε αυξημένη χρήση του δικτύου συνεχίζει να δέχεται πακέτα αλλά καθυστερεί στην παράδοσή τους. Εφαρμογή προτεραιοτήτων στα πακέτα. Ο κόμβος μεταδίδει πρώτα τα πακέτα υψηλής προτεραιότητας. Αν υπάρξει βλάβη σε κάποια επικοινωνιακή γραμμή τα πακέτα χρησιμοποιούν τις υπόλοιπες γραμμές.
Σύγκριση μεταγωγής κυκλώματος και μεταγωγής πακέτου Κάθε επικοινωνιακός κόμβος χρειάζεται να επεξεργαστεί τα πακέτα (αποθήκευση, απόφαση δρομολόγησης). Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα την καθυστέρηση στην μετάδοση. Στην περίπτωση της μεταγωγής κυκλώματος ο κάθε επικοινωνιακός κόμβος απλά προωθεί το πακέτο στο επόμενο κόμβο με βάση τη διαδρομή που έχει επιλεχθεί. Μεταγωγή κυκλώματος, ιδανική για μετάδοση φωνής και εικόνας. Μεταγωγή πακέτου, ιδανική για σύντομες μεταδόσεις δεδομένων.
Μέθοδοι μεταγωγής πακέτου Αυτοδύναμο πακέτο (datagram): το κάθε πακέτο ακολουθεί το δικό του δρόμο στο δίκτυο => παράδειγμα μαθητών που μετακινούνται με λεωφορεία. Τα λεωφορεία επιλέγουν (ανάλογα με κυκλοφοριακές συνθήκες) διαφορετική διαδρομή το καθένα για να φτάσουν στο προορισμό (με διαφορετική σειρά από ότι ξεκίνησαν). Κάθε φορά επιλέγεται η συντομότερη διαδρομή.
Μεταγωγή Πακέτου - Αυτοδύναμο Πακέτο (datagram) Όπως βλέπουμε το κάθε πακέτο ακολουθεί το δικό του δρόμο στο δίκτυο. Εδώ ο κόμβος Κ6 συλλέγει τα πακέτα που έρχονται με διαφορετική σειρά από ότι στάλθηκαν και τα βάζει σε σωστή σειρά.
Πλεονεκτήματα - Αυτοδύναμο Πακέτο (datagram) Καλύτερη αξιοποίηση των γραμμών του δικτύου. Αυξημένη αξιοπιστία, επειδή υπάρχουν εναλλακτικοί δρόμοι. Η μετάδοση λίγων πακέτων θα παραδοθούν σύντομα στο προορισμό τους.
Μέθοδοι μεταγωγής πακέτου Μέθοδος νοητού κυκλώματος: πριν αρχίσει η ανταλλαγή των πακέτων, επιλέγεται η καλύτερη διαδρομή. Αυτή την διαδρομή ακολουθούν όλα τα πακέτα => στο παράδειγμα με τα λεωφορεία, εδώ όλα τα λεωφορεία ακολουθούν τον ίδιο δρόμο το ένα πίσω από τον άλλο. Τα πακέτα έρχονται ταξινομημένα σε σειρά που αποστάλθηκαν.
Μεταγωγή πακέτου Νοητό Κύκλωμα Παρατηρούμε: Το κάθε πακέτο έρχεται με την σειρά που αποστάλθηκε, ακολουθώντας την διαδρομή που επιλέχθηκε (νοητό κύκλωμα).
Πλεονεκτήματα Μεταγωγή πακέτου Νοητό Κύκλωμα Ταξινομημένη παραλαβή πακέτων (εύκολη, χωρίς ελέγχους και καθυστερήσεις μετάδοση και ανασύσταση του μηνύματος) Οι κόμβοι μεταγωγής δεν παίρνουν αποφάσεις για τη δρομολόγηση των πακέτων. Ιδανική μέθοδος για γρήγορες μεταδόσεις μεγάλης διάρκειας. Μειονέκτημα: Αν χαλάσει κάποιος κόμβος ή υπάρχει συμφόρηση σε τμήμα το δικτύου, δεν γίνεται εύκολα η αλλαγή διαδρομής.
Τεχνικές Πολυπλεξίας - multiplexing Ανάγκη πολυπλεξίας εμφανίστηκε στο τηλεφωνικό δίκτυο. Τα τηλεφωνικά κέντρα μπορούσαν να χωρέσουν ορισμένο αριθμό καλωδίων. Καθώς οι συνδρομητές αυξάνονταν, θα έπρεπε να μεταφέρονται περισσότερα από ένα τηλεφωνικά κανάλια από το ίδιο καλώδιο την ίδια στιγμή. Λύση: Τοποθετώντας πολλά τηλεφωνικά κανάλια, με τεχνική πολυπλεξίας, στην ίδια γραμμή.
Τεχνικές Πολυπλεξίας - multiplexing Πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας Πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου
Πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας (FDM) Αριθμός σημάτων μεταδίδεται ταυτόχρονα από το ίδιο μέσο. Κάθε σήμα καταλαμβάνει διαφορετική ζώνη συχνοτήτων. Για μα μπει κάθε σήμα στην κατάλληλη ζώνη συχνοτήτων, απαιτούνται κατάλληλοι διαμορφωτές. Για να συνδυαστούν αυτά τα σήματα και να περάσουν από τη γραμμή χρειάζονται πολυπλέκτες.
Πολυπλεξία διαίρεσης συχνότητας
Παράδειγμα χρήσης διαίρεσης συχνότητας Οι ραδιοφωνικοί σταθμοί (π.χ. στα fm): Οι σταθμοί εκπέμπουν χρησιμοποιώντας ηλεκτρομαγνητικά κύματα στην ατμόσφαιρα ανάμεσα από τα 88MHz 108MHz. Ο κάθε σταθμός εκπέμπει σε μια συγκεκριμένη συχνότητα / κανάλι / ζώνη. Π.χ. στο 99,2Mhz εκπέμπει ο Μελωδία, στο 101,3Mhz εκπέμπει ο Δίεση.
Πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου Χρησιμοποιείται για την μετάδοση ψηφιακών σημάτων. Κάθε σήμα χρησιμοποιεί την γραμμή μεταφοράς για ελάχιστο χρόνο (χρονοθυρίδα) αλλά αυτό γίνεται τόσο γρήγορα που εμείς νομίζουμε ότι τα σήματα στέλνονται παράλληλα. Στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές η μετάδοση δεδομένων γίνεται σποραδικά => άρα η πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου είναι καταλληλότερη.
Πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου
Στατιστική πολυπλεξία Η πολυπλεξία διαίρεσης χρόνου όπως εφαρμόζεται από την επικοινωνία Η/Υ όπου ο κάθε υπολογιστής μπορεί να στέλνει δεδομένα με διαφορετική ταχύτητα.