Βασικές Εξειδικεύσεις σε Αρχιτεκτονική και

Βασικές Εξειδικεύσεις σε Αρχιτεκτονική και Δίκτυα Υπολογιστών Αναστάσιος Παπαζαφειρόπουλος Δρ Πανεπιστημίου Πατρών Δημήτριος Τσώλης Λέκτορας Πανεπιστημίου Πατρών Τόμος Γ Δίκτυα Υπολογιστών

Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του υποέργου 2 με τίτλο «Ανάπτυξη έντυπου εκπαιδευτικού υλικού για τα νέα Προγράμματα Σπουδών» της Πράξης «Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο» η οποία έχει ενταχθεί στο Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Διά Βίου Μάθηση» (ΕΠΕΔΒΜ) του ΕΣΠΑ (2007-2013), Άξονας Προτεραιότητας 7: «Ενίσχυση της Διά Βίου Εκπαίδευσης Ενηλίκων στις 8 Περιφέρειες Σύγκλισης» με κωδικό MIS 296121 και η οποία συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο ΕΚΤ) και από εθνικούς πόρους, μέσω του Προγράμματος Δημοσίων Επενδύσεων (ΠΔΕ) του ΥΠΑΙΘ. Δίκτυα Υπολογιστών Σημείωση Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιμέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειμένων σύμφωνα με τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστημονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραμμάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδημαϊκοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΣΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Θεματική Ενότητα ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΕΙΣ ΣΕ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Τόμος Γ Δίκτυα Υπολογιστών Συγγραφή ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ ΠΑΠΑΖΑΦΕΙΡΟΠΟΥΛΟΣ Δρ Πανεπιστημίου Πατρών ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΤΣΩΛΗΣ Λέκτορας Πανεπιστημίου Πατρών Κριτική Ανάγνωση ΦΩΤΙΟΣ ΛΙΟΤΟΠΟΥΛΟΣ Δρ Πανεπιστημίου Wisconsin-Madison Ακαδημαϊκός Υπεύθυνος για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού του ΠΣ ΒΑΣΙΛΕΙΟΣ ΒΕΡΥΚΙΟΣ Αναπλ. Καθηγητής Ελληνικού Ανοικτού Πανεπιστημίου Συντονιστής για την ανάπτυξη του έντυπου διδακτικού υλικού της ΘΕ ΟΔΥΣΣΕΑΣ ΚΟΥΦΟΠΑΥΛΟΥ Καθηγητής Πανεπιστημίου Πατρών Ειδικός στη Μεθοδολογία της Ανοικτής και εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης ΑΔΑΜΑΝΤΙΑ ΣΠΑΝΑΚΑ Γλωσσική Επιμέλεια KATEΡΙΝΑ ΕΥΣΤΑΘΙΟΥ Τεχνική Επιμέλεια Καλλιτεχνική Επιμέλεια Σελιδοποίηση ΒΙΒΛΙΟΤΕΧΝΙΑ ΠΑΠΠΑΣ ΦΩΤΙΟΣ - ΔΟΥΒΟΥ ΣΕΒΑΣΤΗ Ο.Ε. ISBN: 978-960-538-962-8 Κωδικός Έκδοσης: ΠΛΣ 51/Γ Copyright 2015 για την Ελλάδα και όλο τον κόσμο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Πάροδος Αριστοτέλους 18, 26335 Περιβόλα Πατρών Τηλ.: 2610 367300, Φαξ: 2610 367650 To παρόν έργο πνευματικής ιδιοκτησίας προστατεύεται κατά τις διατάξεις του Ελληνικού Νόμου (Ν. 2121/1993 όπως έχει τροποποιηθεί και ισχύει σήμερα) και τις διεθνείς συμβάσεις περί πνευματικής ιδιοκτησίας. Απαγορεύεται απολύτως η άνευ γραπτής αδείας του εκδότη, κατά οποιονδήποτε τρόπο ή μέσο, αντιγραφή, φωτοανατύπωση και εν γένει αναπαραγωγή, εκμίσθωση ή δανεισμός, μετάφραση, διασκευή, αναμετάδοση στο κοινό σε οποιαδήποτε μορφή (ηλεκτρονική, μηχανική κ.λπ.) και η εν γένει εκμετάλλευση του συνόλου ή μέρους του έργου.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας Πρόγραμμα Σπουδών ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΗ ΣΤΑ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Θεματική Ενότητα ΒΑΣΙΚΕΣ ΕΞΕΙΔΙΚΕΥΣΕΙΣ ΣΕ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ ΚΑΙ ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Τόμος Γ Δίκτυα Υπολογιστών ΑΝΑΣΤΑΣΙΟΣ ΠΑΠΑΖΑΦΕΙΡΟΠΟΥΛΟΣ Δρ Πανεπιστημίου Πατρών ΔΗΜΗΤΡΙΟΣ ΤΣΩΛΗΣ Λέκτορας Πανεπιστημίου Πατρών ΠΑΤΡΑ 2015

Βιογραφικά Ο Αναστάσιος Παπαζαφειρόπουλος είναι ερευνητής στο Imperial College του Λονδίνου και έχει βραβευτεί με την υποτροφία Marie Curie (ΙΕF-IAWICOM). Έλαβε πτυχίο Φυσικής (δεύτερος στους 180) και μεταπτυχιακό δίπλωμα στην Ηλεκτρονική και στην Επιστήμη Υπολογιστών με άριστα (πρώτος) από το Πανεπιστήμιο Πατρών, το 2003 και το 2005 αντίστοιχα. Έλαβε το διδακτορικό του δίπλωμα από το Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών από το ίδιο πανεπιστήμιο και έπειτα εργάστηκε ως ερευνητής στο IDCOM (Ινστιτούτο Ψηφιακών Επικοινωνιών) στο Πανεπιστήμιο του Εδιμβούργου (Ηνωμένο Βασίλειο). Επίσης, έχει συνεργαστεί με το Ελληνικό Ανοικτό Πανεπιστήμιο και έχει εργαστεί ως Λέκτορας στην Πολεμική Αεροπορία, στη Σχολή Αξιωματικών Ελληνικής Αστυνομίας, στο ΤΕΙ Πάτρας, στο Λύκειο και στο Ινστιτούτο Επαγγελματικής Κατάρτισης (ΙΕΚ). Η έρευνά του επικεντρώνεται στη μελέτη των ασύρματων επικοινωνιών στο φυσικό επίπεδο. Από το 2006 συμμετέχει σε πολυάριθμα προγράμματα έρευνας και ανάπτυξης της Ευρωπαϊκής Ένωσης και της Ελλάδας και έχει συγγράψει παραπάνω από 20 εργασίες σε διεθνή ερευνητικά περιοδικά και συνέδρια. Ο Δημήτριος Τσώλης είναι Λέκτορας στο Τμήμα Διαχείρισης Πολιτισμικού Περιβάλλοντος και Νέων Τεχνολογιών του Πανεπιστημίου Πατρών, από το 2013, με ειδικότητα στα Δίκτυα Υπολογιστών και τις Τεχνολογίες Διαδικτύου. Είναι κάτοχος πτυχίου (1999) του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, καθώς και μεταπτυχιακού και διδακτορικού διπλώματος (2004) του Τμήματος Μηχανικών Η/Υ και Πληροφορικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Η έρευνά του εστιάζεται στη μελέτη της διαχείρισης μεγάλου όγκου δεδομένων (big data) στο διαδίκτυο, τα σύγχρονα δίκτυα και νέφη υπολογιστών, όπως και στα κύρια πεδία της πολιτισμικής πληροφορικής. Από το 1997 συμμετέχει σε πολυάριθμα προγράμματα έρευνας και ανάπτυξης της Ευρωπαϊκής Ένωσης και της Ελλάδας και έχει συγγράψει παραπάνω από 80 εργασίες σε διεθνή ερευνητικά περιοδικά και συνέδρια.

Περιεχόμενα ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Εισαγωγή στα δίκτυα υπολογιστών Αν. Παπαζαφειρόπουλος Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...17 1.1 Τα δίκτυα υπολογιστών και η εξέλιξή τους...20 1.2 Βασικές έννοιες...26 1.3 Σκοποί των δικτύων...28 1.4 Εφαρμογές των δικτύων...31 1.5 Δομή δικτύου...33 1.6 Ταξινόμηση υπολογιστικών δικτύων...37 1.6.1 Ταξινόμηση ως προς το μέσο μετάδοσης...37 1.6.2 Ταξινόμηση ως προς το είδος της σύνδεσης...37 1.6.3 Ταξινόμηση ως προς τη γεωγραφική κάλυψη...40 1.6.4 Ταξινόμηση ως προς την τοπολογία...44 1.6.5 Ταξινόμηση ως προς την τεχνολογία μετάδοσης...46 1.7 Αξιοπιστία μετάδοσης Απόδοση δικτύου...48 1.7.1 Αιτίες των σφαλμάτων μετάδοσης...48 1.7.2 Μηχανισμοί εντοπισμού και αντιμετώπισης των σφαλμάτων μετάδοσης...49 1.7.3 Δείκτης αξιόπιστης μετάδοσης...49 1.7.4 Απόδοση δικτύου...50 1.7.5 Ρυθμός διέλευσης...50 1.7.6 Καθυστέρηση μετάδοσης...50 1.7.7 Χαρακτηρισμός της απόδοσης του δικτύου...52 Σύνοψη...54

8 ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...55 Ευρετήριο Όρων...56 Γλωσσάρι...58 Βιβλιογραφία...59 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...60 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...61 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...63 Κατάλογος εικόνων...64 Κατάλογος πινάκων...64 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Αρχιτεκτονικές δικτύων Αν. Παπαζαφειρόπουλος Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...65 2.1 Ιεραρχίες πρωτοκόλλων...67 2.2 Θέματα σχεδίασης επιπέδων...72 2.3 Το μοντέλο αναφοράς OSI...75 2.3.1 Το φυσικό επίπεδο...76 2.3.2 Το επίπεδο ζεύξης δεδομένων...77 2.3.3 Το επίπεδο δικτύου...78 2.3.4 Το επίπεδο μεταφοράς...80 2.3.5 Το επίπεδο συνόδου...81 2.3.6 Το επίπεδο παρουσίασης...82 2.3.7 Το επίπεδο εφαρμογής...82 2.3.8 Μετάδοση δεδομένων στο μοντέλο OSI...83 2.4 Το μοντέλο αναφοράς TCP/IP...86 2.4.1 Λειτουργίες του TCP/IP...86

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 9 2.4.2 Πώς δρομολογούνται τα πακέτα...87 2.5 Τα επίπεδα του πρωτοκόλλου TCP/IP...89 2.5.1 Το επίπεδο δικτύου (network layer)...89 2.5.2 Το επίπεδο μεταφοράς (transport layer)...90 2.5.3 Το επίπεδο εφαρμογής (application layer)...91 2.5.4 Το επίπεδο πρόσβασης στο μέσο (network interface layer)...91 Σύνοψη...93 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...94 Ευρετήριο Όρων...95 Γλωσσάρι...97 Βιβλιογραφία...100 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...101 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...102 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...105 Κατάλογος εικόνων...107 Κατάλογος πινάκων...107 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Πρωτόκολλα ζεύξης δεδομένων Αν. Παπαζαφειρόπουλος Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...109 3.1 Έλεγχος ροής...112 3.1.1 Έλεγχος ροής με παύση και αναμονή (Stop-and-wait)...113 3.1.2 Έλεγχος ροής με ολισθαίνον παράθυρο...117 3.2 Έλεγχος σφαλμάτων...123 3.2.1 ARQ παύσης και αναμονής...124 3.2.2 ARQ οπισθοδρόμησης κατά N...127

10 ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 3.2.3 Επιλεκτική απόρριψη ARQ...131 3.3 Ανάλυση επιδόσεων...133 3.3.1 Έλεγχος ροής παύσης και αναμονής...133 3.3.2 Έλεγχος ροής με ολισθαίνον παράθυρο χωρίς σφάλματα...136 3.3.3 ARQ...137 3.4 Το Πρωτόκολλο Ελέγχου Ζεύξης Δεδομένων Υψηλού Επιπέδου (HDLC)...142 3.4.1 Βασικά χαρακτηριστικά...142 3.4.2 Δομή πλαισίου...143 3.4.3 Λειτουργία...146 3.4.4 Αρχικοποίηση...146 3.4.5 Μεταφορά δεδομένων...147 3.4.6 Αποσύνδεση...147 3.4.7 Παραδείγματα λειτουργίας...148 3.5 Ανίχνευση και διόρθωση σφαλμάτων...151 3.5.1 Κώδικες διόρθωσης σφαλμάτων...153 3.5.2 Κώδικες ανίχνευσης σφαλμάτων...162 Σύνοψη...171 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...172 Ευρετήριο Όρων...173 Γλωσσάρι...175 Βιβλιογραφία...177 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...178 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...179 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...183 Κατάλογος εικόνων...185

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Πρωτόκολλα τοπικής πρόσβασης και κυψελοειδή δίκτυα Αν. Παπαζαφειρόπουλος Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...187 4.1 Τοπικά δίκτυα...190 4.1.1 Βασικές έννοιες...190 4.1.2 Το πρόβλημα της εκχώρησης καναλιού...191 4.1.3 Στατική εκχώρηση καναλιού...191 4.1.4 Παραδοχές για δυναμική εκχώρηση καναλιού...194 4.2 Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης...197 4.2.1 ALOHA...197 4.2.2 Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης με αίσθηση φορέα...204 4.2.3 Πρωτόκολλα χωρίς συγκρούσεις...208 4.3 Ethernet...215 4.3.1 Φυσικό επίπεδο κλασικού Ethernet...215 4.3.2 Το MAC επίπεδο του κλασικού Ethernet...217 4.3.3 Η απόδοση του Ethernet...222 4.3.4 Ethernet με μεταγωγή...225 4.3.5 Γρήγορο Ethernet (Fast Ethernet)...227 4.3.6 Το Gigabit Ethernet...230 4.4 Κυψελοειδή δίκτυα Αρχές...234 4.4.1 Οργάνωση κυψελοειδούς δικτύου...234 4.4.2 Επαναχρησιμοποίηση συχνοτήτων...235 4.4.3 Γενιές κινητής τηλεφωνίας...237 Σύνοψη...246 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...247

12 ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ Ευρετήριο Όρων...248 Γλωσσάρι...251 Βιβλιογραφία...254 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...255 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...256 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...260 Κατάλογος εικόνων...262 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Πρωτόκολλα διαδικτύου Δ. Τσώλης Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...263 5.1 Οι βασικές λειτουργίες ενός πρωτοκόλλου...266 5.1.1 Ενθυλάκωση...267 5.1.2 Κερματισμός και συναρμολόγηση...268 5.1.3 Έλεγχος σύνδεσης...270 5.1.4 Παράδοση στη σειρά...273 5.1.5 Έλεγχος ροής...274 5.1.6 Έλεγχος λαθών...275 5.1.7 Διευθυνσιοδότηση...276 5.1.8 Πολυπλεξία...280 5.1.9 Υπηρεσίες μεταφοράς...280 5.2 Διαδικτύωση...282 5.2.1 Βασικές έννοιες της διαδικτύωσης...282 5.2.2 Προϋποθέσεις διαδικτύωσης...285 5.2.3 Λειτουργία χωρίς σύνδεση...288 5.3 Η λειτουργία του Πρωτοκόλλου Διαδικτύου (Internet Protocol)...292

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 13 5.3.1 Η λειτουργία του IP...292 5.3.2 Θέματα δρομολόγησης...300 5.3.3 Η αξιοπιστία του IP...309 5.4 IPv4...311 5.4.1 Υπηρεσίες IP...311 5.4.2 Το πακέτο IP...313 5.4.3 Διευθύνσεις IP...317 5.4.4 Πρωτόκολλο Μηνυμάτων Ελέγχου Διαδικτύου (ICMP)...319 5.5 Το Πρωτόκολλο Διαδικτύου Έκδοση 6 (IPv6)...324 5.5.1 Πρωτόκολλο Διαδικτύου (η επόμενη γενιά)...324 5.5.2 Δομή του IPv6...326 5.5.3 Η κεφαλίδα του IPv6...329 Σύνοψη...332 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...333 Ευρετήριο Όρων...334 Γλωσσάρι...335 Βιβλιογραφία...339 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...340 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...341 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...348 Κατάλογος σχημάτων...350 Κατάλογος πινάκων...350 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Πρωτόκολλα μεταφοράς Δ. Τσώλης Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...351

14 ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ 6.1 Πρωτόκολλα μεταφοράς Έμφαση στη σύνδεση...354 6.1.1 Μεταφορά πακέτων στη σειρά...354 6.1.2 Αναξιόπιστη υπηρεσία δικτύου...365 6.2 Πρωτόκολλο Ελέγχου Μετάδοσης (TCP)...379 6.2.1 Η κεφαλίδα TCP...384 6.3 Έλεγχος συμφόρησης και TCP...388 6.4 Πρωτόκολλο Αυτοδύναμου Πακέτου UDP...390 Σύνοψη...392 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...393 Ευρετήριο Όρων...394 Γλωσσάρι...395 Βιβλιογραφία...397 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...398 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...399 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...402 Κατάλογος σχημάτων...404 Κατάλογος πινάκων...404 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Εφαρμογές διαδικτύου Δ. Τσώλης Σκοπός, Προσδοκώμενα Αποτελέσματα, Έννοιες-Κλειδιά, Εισαγωγικές Παρατηρήσεις...405 7.1 Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο...409 7.1.1 Πρωτόκολλο Μεταφοράς Απλού Ταχυδρομείου (SMTP)...409 7.1.2 Οι περιορισμοί του SMTP...417 7.1.3 Επέκταση Ηλεκτρονικού Ταχυδρομείου Πολλαπλών Χρήσεων (MIME)...417

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ 15 7.2 Παγκόσμιος ιστός...421 7.2.1 HTTP Γενικά στοιχεία...422 7.3 Ασφάλεια στα δίκτυα και στο διαδίκτυο...428 7.3.1 Απαιτήσεις ασφάλειας και επιθέσεις...428 7.3.2 Εμπιστευτικότητα με συμμετρική κρυπτογράφηση...431 7.3.3 Κρυπτογράφηση δημόσιου κλειδιού και ψηφιακές υπογραφές...433 7.3.4 Επίπεδο Ασφαλούς Καναλιού SSL...437 7.4 Πολυμέσα...441 7.4.1 Κυκλοφορία πραγματικού χρόνου...442 7.4.2 Πρωτόκολλο Μεταφοράς Πραγματικού Χρόνου (RTP)...444 7.4.3 Η αρχιτεκτονική του RTP...445 Σύνοψη...449 Λίστα Ελέγχου Γνώσεων...451 Ευρετήριο Όρων...452 Γλωσσάρι...454 Βιβλιογραφία...458 Οδηγός για Περαιτέρω Μελέτη...459 Απαντήσεις σε Ασκήσεις Αυτοαξιολόγησης...460 Απαντήσεις Δραστηριοτήτων...463 Κατάλογος σχημάτων...464 Κατάλογος πινάκων...464