ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΗ ΔΙΑΔΙΚΤΥΩΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

Τ.Ε.Ι. ΙΟΝΙΩΝ ΝΗΣΩΝ ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ ΛΕΥΚΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΙΑΚΗ ΔΙΑΔΙΚΤΥΩΣΗ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ ΑΛΒΑΝΙΤΗΣ ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2016

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΔΙΚΤΥΑ TCP/IP ΔΙΚΤΥΑ Η/Υ ΚΑΙ ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ TCP/IP Ένα δίκτυο είναι ένα σύνολο από υπολογιστές (ή συσκευές που μοιάζουν με υπολογιστές), που μπορούν να επικοινωνούν δια μέσου ενός κοινού μέσου μετάδοσης, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Σε ένα δίκτυο οι αιτήσεις και τα δεδομένα που προέρχονται από ένα υπολογιστή περνούν κατά μήκος του μέσου μετάδοσης (που μπορεί να είναι ένα καλώδιο δικτύου ή μια τηλεφωνική γραμμή) σε ένα άλλο υπολογιστή. Στο παραπάνω σχήμα ο υπολογιστής Α μπορεί να στείλει ένα μήνυμα ή μια αίτηση στο υπολογιστή Β, και αυτός με τη σειρά του μπορεί να καταλάβει το μήνυμα και να απαντήσει, στέλνοντας ένα μήνυμα πίσω στον υπολογιστή Α. Ένα πρωτόκολλο δικτύου είναι ένα σύστημα από κοινούς κανόνες, που βοηθά να οριστεί η περίπλοκη διαδικασία της μετάδοσης δεδομένων σε ένα δίκτυο. Τα δεδομένα ταξιδεύουν από μια εφαρμογή που βρίσκεται σε ένα υπολογιστή, μέσω του υλικού (hardware) του δικτύου του υπολογιστή, κατά μήκος του μέσου μετάδοσης στο σωστό προορισμό και μέσω του υλικού δικτύου του υπολογιστή προορισμού φθάνουν στην εφαρμογή λήψης. Στην παρακάτω εικόνα περιγράφεται ο γενικός τρόπος λειτουργίας του συνόλου πρωτοκόλλων TCP/IP, που αποτελούν ένα πλήρες σύστημα, το οποίο ορίζει πώς θα πρέπει να γίνει η επεξεργασία των δεδομένων, η μετάδοση τους και η λήψη τους σε ένα δίκτυο TCP/IP. 1

Η εκτέλεση της μορφοποίησης και επεξεργασίας των μεταδόσεων TCP/IP από ένα συγκεκριμένο λογισμικό ονομάζεται υλοποίηση (implementation) του TCP/IP. Με άλλα λόγια μια υλοποίηση TCP/IP είναι ένα λογισμικό που εκτελεί τις λειτουργίες οι οποίες επιτρέπουν σε ένα υπολογιστή να συμμετέχει σε ένα δίκτυο TCP/IP. TO TCP/IP ΚΑΙ ΤΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ISO ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΙΝΤΕΡΝΕΤ ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΔΙΚΤΥΟΥ TCP/IP ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΥΝΟΔΟΥ ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΕΠΙΠΕΔΟ ΔΙΚΤΥΟΥ ΕΠΙΠΕΔΟ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ ΦΥΣΙΚΟ ΕΠΙΠΕΔΟ OSI Η βιομηχανία της δικτύωσης έχει ένα τυπικό μοντέλο επτά επιπέδων για αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων δικτύων, που ονομάζεται μοντέλο OSI (Open Systems Interconnection). Το μοντέλο OSI είναι μια προσπάθεια να τυποποιηθεί η σχεδίαση συστημάτων πρωτοκόλλων δικτύου, ώστε οι προγραμματιστές λογισμικού να έχουν διασύνδεση και ανοικτή πρόσβαση στις τυποποιήσεις των πρωτοκόλλων. 2

Το παραπάνω σχήμα δείχνει τη σχέση και τη συσχέτιση μεταξύ του TCP/IP μοντέλου των τεσσάρων επιπέδων και του μοντέλου OSI των επτά επιπέδων. Όπως θα παρατηρήσετε το μοντέλο OSI, σε σχέση με το μοντέλο TCP/IP, διαιρεί το επίπεδο εφαρμογής σε 3 επίπεδα (Εφαρμογής, Παρουσίασης & Συνόδου), καθώς και το επίπεδο πρόσβασης δικτύου σε δύο επίπεδα (Σύνδεσης Δεδομένων & Φυσικό) Τα τέσσερα επίπεδα του μοντέλου TCP/IP είναι τα εξής: Επίπεδο πρόσβασης δικτύου: παρέχει διασύνδεση με το δίκτυο. Μορφοποιεί τα δεδομένα ανάλογα με το υλικό μετάδοσης των δεδομένων, και οι διευθύνσεις των δεδομένων του υποδικτύου, βασίζονται στις φυσικές διευθύνσεις του υλικού. Ένας προσαρμογέας δικτύου έχει μία μοναδική και μόνιμη φυσική διεύθυνση, η οποία είναι ένας δεκαεξαδικός αριθμός που έχει δοθεί στη κάρτα δικτύου στο εργοστάσιο (πχ 00-E0-98-3B-14-C8). Το επίπεδο πρόσβασης δικτύου παρέχει επίσης έλεγχο λαθών για τα δεδομένα που παραδίδονται στο φυσικό δίκτυο. Επίπεδο Internet: παρέχει λογική διευθυνσιοδότηση που είναι ανεξάρτητη από το υλικό, έτσι ώστε τα δεδομένα να μπορούν να περνούν σε υποδίκτυα που έχουν διαφορετικές αρχιτεκτονικές. Μια λογική διεύθυνση είναι μια διεύθυνση που διαμορφώνεται μέσω του λογισμικού του δικτύου και στο TCP/IP μοντέλο ονομάζεται ΙΡ (Internet Protocol) διεύθυνση (π.χ. 192.132.134.10). Το επίπεδο πρόσβασης δικτύου παρέχει επίσης δρομολόγηση προκειμένου να περιοριστεί η κίνηση, υποστηρίζει παράδοση σε όλο το μήκος του διαδικτύου και συσχετίζει φυσικές με λογικές διευθύνσεις. (Ο όρος διαδίκτυο internetwork αναφέρεται σε ένα διασυνδεμένο δίκτυο, όπως για παράδειγμα το Internet βλέπε παρακάτω εικόνα) Επίπεδο μεταφοράς: παρέχει έλεγχο ροής, έλεγχο λαθών και υπηρεσίες γνωστοποίησης για το διαδίκτυο. Εξυπηρετεί ως διασύνδεση για τις εφαρμογές του δικτύου. 3

Επίπεδο εφαρμογής: παρέχει εφαρμογές για αντιμετώπιση προβλημάτων δικτύου, μεταφορά αρχείων, απομακρυσμένο έλεγχο και δραστηριότητες Internet. Υποστηρίζει επίσης τα API (Application Programming Interfaces) δικτύων, που επιτρέπων σε προγράμματα που είναι γραμμένα για ένα συγκεκριμένο λειτουργικό σύστημα να έχουν πρόσβαση στο δίκτυο. Τα επτά επίπεδα του μοντέλου OSI είναι τα εξής: Φυσικό επίπεδο: μετατρέπει τα δεδομένα σε ηλεκτρικό ή αναλογικό σήμα για να περάσουν από το υλικό μετάδοσης και επιβλέπει τη μεταφορά των δεδομένων. Επίπεδο σύνδεσης δεδομένων: παρέχει σύνδεση με τον προσαρμογέα δικτύου και συντηρεί τις λογικές συνδέσεις για το υποδίκτυο. Επίπεδο δικτύου: υποστηρίζει λογική διευθυνσιοδότηση και δρομολόγηση. Επίπεδο μεταφοράς: Παρέχει έλεγχο λαθών και ροής για το διαδίκτυο. Επίπεδο συνόδου: ορίζει συνόδους μεταξύ εφαρμογών που επικοινωνούν σε υπολογιστές που επικοινωνούν μεταξύ τους. Επίπεδο παρουσίασης: μεταφράζει δεδομένα σε τυπική μορφή και διαχειρίζεται κρυπτογράφηση και συμπίεση των δεδομένων. Επίπεδο εφαρμογής: παρέχει μια διασύνδεση δικτύου για εφαρμογές και υποστηρίζει εφαρμογές δικτύου για μεταφορά αρχείων, επικοινωνίες και λοιπά. ΠΑΚΕΤΑ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ Κάθε επίπεδο του πρωτοκόλλου TCP/IP παίζει ένα ρόλο στην διαδικασία επικοινωνίας. Κάθε επίπεδο καλεί υπηρεσίες που είναι απαραίτητες για να εκτελέσει το ρόλο του σε αυτό το επίπεδο. Καθώς μια εξερχόμενη μετάδοση περνά προς τα κάτω, κάθε επίπεδο προσθέτει στα δεδομένα ένα σύνολο με σχετικές πληροφορίες, που ονομάζεται header (επικεφαλίδα). Το μικρό πακέτο δεδομένων που περιέχει την επικεφαλίδα και τα δεδομένα αποτελεί τα νέα δεδομένα, που πακετάρονται πάλι στο επόμενο χαμηλότερο επίπεδο με την επικεφαλίδα του επόμενου χαμηλότερου επιπέδου. Αυτή η διαδικασία φαίνεται στη παρακάτω εικόνα. 4

Στον υπολογιστή προορισμού γίνεται η αντίστροφη διαδικασία όταν λαμβάνονται τα δεδομένα. Καθώς τα δεδομένα κινούνται προς τα πάνω, κάθε επίπεδο ξεπακετάρει την αντίστοιχη επικεφαλίδα και χρησιμοποιεί τις πληροφορίες. Το πακέτο δεδομένων δείχνει διαφορετικό σε κάθε επίπεδο και έχει διαφορετικό όνομα. Τα ονόματα για τα πακέτα δεδομένων που δημιουργούνται σε κάθε επίπεδο είναι τα εξής: Το πακέτο δεδομένων που δημιουργείται στο επίπεδο εφαρμογής ονομάζεται μήνυμα (message). Το πακέτο δεδομένων που δημιουργείται στο επίπεδο μεταφοράς, που περιέχει το μήνυμα του επιπέδου εφαρμογής ονομάζεται τμήμα (segment) αν προέρχεται από το πρωτόκολλο TCP (Transmission Control Protocol) του επιπέδου μεταφοράς, και datagram, αν προέρχεται από το πρωτόκολλο UDP (User Datagram Protocol) του επιπέδου μεταφοράς. Το πακέτο δεδομένων στο επίπεδο Internet που περιέχει το τμήμα του επιπέδου μεταφοράς, ονομάζεται datagram. Το πακέτο δεδομένων στο επίπεδο πρόσβασης δικτύου, που περιέχει και ίσως να υποδιαιρεί το datagram, ονομάζεται πλαίσιο (frame). Αυτό το πλαίσιο μετατρέπεται μετά σε μια ροή από bit στο πιο χαμηλό υποεπίπεδο του επιπέδου πρόσβασης δικτύου. ΤΟ ΒΑΣΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΔΙΚΤΥΩΣΗΣ TCP/IP Η παρακάτω εικόνα περιγράφει το βασικό σύστημα δικτύωσης του πρωτοκόλλου TCP/IP. 5

Το βασικό σενάριο είναι το εξής: Τα δεδομένα περνούν από μια εφαρμογή TCP/IP ή από μια διασύνδεση εφαρμογής δικτύου, μέσω μια θύρας (port) TCP ή UDP σε κάποια από τα δύο επίπεδα του πρωτοκόλλου μεταφοράς (TCP ή UDP). Θύρες (ports) ονομάζονται ένα σύστημα από λογικά κανάλια που επιτυγχάνει τη διασύνδεση του δικτύου με τις εφαρμογές. Τα προγράμματα μπορούν να έχουν πρόσβαση στο δίκτυο μέσω TCP ή UDP, ανάλογα με τις απαιτήσεις του προγράμματος. Το TCP είναι ένα πρωτόκολλο προσανατολισμένο σε συνδέσεις, παρέχοντας ένα εξειδικευμένο έλεγχο ροής και λαθών. Το TCP προσπαθεί να εγγυηθεί την παράδοση των δεδομένων, είναι πιο αξιόπιστο από το UDP, αλλά ο επιπλέον έλεγχος ροής και λαθών το κάνει πιο αργό. Το UDP είναι ένα πρωτόκολλο χωρίς συνδέσεις. Είναι γρηγορότερο από το TCP, αλλά δεν είναι τόσο αξιόπιστο. Αναθέτει τις περισσότερες ευθύνες ελέγχου ροής και λαθών στην εφαρμογή. Το τμήμα (segment) των δεδομένων, αν χρησιμοποιηθεί το TCP, περνά στο επίπεδο Internet, όπου το IP πρωτόκολλο παρέχει πληροφορίες λογικής διευθυνσιοδότησης και περικλείει τα δεδομένα σε ένα datagram. Το IP datagram μπαίνει στο επίπεδο πρόσβασης δικτύου, όπου περνά σε συστατικά λογισμικού που είναι σχεδιασμένα να συνδέονται με το φυσικό δίκτυο. Το επίπεδο πρόσβασης δικτύου δημιουργεί ένα ή περισσότερα πλαίσια (frames) δεδομένων, σχεδιασμένα για είσοδο στο φυσικό δίκτυο. Στην περίπτωση ενός συστήματος LAN όπως το Ethernet, το πλαίσιο μπορεί να περιέχει πληροφορίες της φυσικής διεύθυνσης, οι οποίες ανακαλούνται από πίνακες αναζήτησης που διατηρούνται με τα πρωτόκολλα ARP και RARP του επιπέδου Internet. (Το ARP, Address Resolution Protocol, μεταφράζει τις IP διευθύνσεις σε φυσικές διευθύνσεις, ενώ το RARP, Reverse Address Resolution Protocol, μεταφράζει τις φυσικές διευθύνσεις σε IP διευθύνσεις). 6

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 2 ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΟΥ TCP/IP ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΕΣ ΤΟΠΙΚΩΝ ΔΙΚΤΥΩΝ (LAN) Το επίπεδο πρόσβασης δικτύου ορίζει τις διαδικασίες για διασύνδεση με το υλικό του δικτύου και για πρόσβαση στο μέσο μετάδοσης. Κάτω από το επίπεδο πρόσβασης δικτύου του TCP/IP, θα βρείτε περίπλοκο υλικό, λογισμικό και προδιαγραφές για το μέσο μετάδοσης των δεδομένων. Δυστυχώς υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι φυσικών δικτύων για να μπορεί να γίνει μια ολοκληρωμένη περιγραφή τους, όπου κάθε τύπος έχει τις δικές του συμβάσεις, και οποιοδήποτε από αυτά τα φυσικά δίκτυα μπορεί να σχηματίσει τη βάση για το επίπεδο πρόσβασης δικτύου. Οι πιο συνηθισμένες αρχιτεκτονικές δικτύων είναι οι εξής: Ethernet: Το Ethernet και το νεότερο Fast Ethernet είναι οι τεχνολογίες LAN που χρησιμοποιούνται περισσότερο σήμερα. Το Ethernet έχει γίνει δημοφιλές εξαιτίας της καλής τιμής του. Το καλώδιο του είναι φθηνό και εγκαθίσταται εύκολα. Οι προσαρμογείς Ethernet και το υλικό Ethernet είναι επίσης σχετικά φθηνά. Σε δίκτυα Ethernet όλοι οι υπολογιστές μοιράζονται ένα κοινό μέσο μετάδοσης. Το Ethernet χρησιμοποιεί μια μέθοδο πρόσβασης που ονομάζεται Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect (CSMA/CD), που προσδιορίζει πότε είναι ελεύθερος ένας υπολογιστής να μεταδώσει δεδομένα. Χρησιμοποιώντας το CSMA/CD, όλοι οι υπολογιστές παρακολουθούν το μέσο μετάδοσης και περιμένουν μέχρι να γίνει διαθέσιμη η γραμμή για μετάδοση. Αν δύο υπολογιστές προσπαθήσουν να μεταδώσουν ταυτόχρονα συμβαίνει μια σύγκρουση. Οι υπολογιστές σταματούν, περιμένουν ένα τυχαίο χρονικό διάστημα και προσπαθούν να μεταδώσουν πάλι. Η παρακάτω εικόνα περιγράφει ένα δίκτυο Ethernet βασισμένο σε διανομέα (hub). Token ring: η τεχνολογία token ring χρησιμοποιεί μια τελείως διαφορετική ιδέα για να επιτρέπει σε προσαρμογείς δικτύων να μεταδίδουν δεδομένα στο μέσο μετάδοσης. Αυτή η μέθοδος πρόσβασης είναι γνωστή ως πέρασμα διακριτικού (token passing). 7

Στην μέθοδο πρόσβασης περάσματος διακριτικού, οι υπολογιστές στο LAN συνδέονται με τέτοιο τρόπο, ώστε τα δεδομένα να περνούν στο δίκτυο με τη μορφή δακτυλίου, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Η διαμόρφωση token ring απαιτεί από τους υπολογιστές να συνδέονται σε ένα κεντρικό διανομέα, που ονομάζεται MSAU (Multi Station Access Unit). Η παρακάτω εικόνα μπορεί να μην δείχνει σαν δακτύλιος, αλλά το MSAU είναι συνδεδεμένο έτσι ώστε τα δεδομένα να περνούν από ένα υπολογιστή στον επόμενο σε μια κυκλική κίνηση. Οι υπολογιστές περνούν ένα πακέτο δεδομένων που ονομάζεται διακριτικό (token). Μόνο ο υπολογιστής που κρατά το διακριτικό μπορεί να μεταδώσει ένα μήνυμα στο διαδίκτυο. FDDI: το FDDI (Fiber Distributed Data Interface) είναι μια ακριβή τεχνολογία LAN, που χρησιμοποιεί ένα ζευγάρι από δακτυλίους οπτικών ινών. Ο ένας δακτύλιος θεωρείται πρωτεύων και ο δεύτερος δακτύλιος υπάρχει για να αντικαταστήσει τον πρωτεύοντα δακτύλιο σε περίπτωση που χαλάσει. Το FDDI χρησιμοποιεί μια μέθοδο πρόσβασης περάσματος διακριτικού παρόμοια με αυτή του token ring. ΤΥΠΟΙ ΚΑΛΩΔΙΩΝ ΚΑΛΩΔΙΟ ΣΥΝΕΣΤΡΑΜΕΝΩΝ ΖΕΥΓΩΝ (TWISTED PAIR) Τα καλώδια συνεστραμένων ζευγών είναι τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα σε τοπικά δίκτυα υπολογιστών. Αποτελούνται από τέσσερα ζεύγη συνεστραμένων χάλκινων αγωγών. Ο κάθε αγωγός καλύπτεται από μονωτικό περίβλημα και υπάρχει εξωτερικό μονωτικό περίβλημα, το οποίο καλύπτει τα τέσσερα ζευγάρια των αγωγών, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. 8

Τα καλώδια συνεστραμένων ζευγών υπάρχουν σε δύο κύριες κατηγορίες, ανάλογα με το αν είναι θωρακισμένα ή αθωράκιστα, οι οποίες είναι οι έξης: UTP (Unshielded Twisted Pair): αθωράκιστο καλώδιο συνεστραμένων ζευγών. Τα καλώδια UTP υπάρχουν σε πολλές ποικιλίες, δύο από τις οποίες είναι ιδιαίτερα σημαντικές για τα δίκτυα υπολογιστών. Τα καλώδια κατηγορίας 3 (CAT3) και τα καλώδια κατηγορίας 5 (CAT5), τα οποία είναι παρόμοια με τα καλώδια κατηγορίας 3 αλλά έχουν περισσότερες στροφές ανά εκατοστό, γεγονός που οδηγεί σε λιγότερες παρεμβολές, καλύτερη ποιότητα σήματος σε μεγαλύτερες αποστάσεις και υψηλότερες ταχύτητες. STP (Shielded Twisted Pair): θωρακισμένο καλώδιο συνεστραμένων ζευγών με τη χρήση μεταλλικού πλέγματος, το οποίο σε σχέση με τα καλώδια UTP θεωρείται ογκώδες και ακριβό. ΟΜΟΑΞΟΝΙΚΟ ΚΑΛΩΔΙΟ (COAXIAL): Το ομοαξονικό καλώδιο είναι το πρώτο καλώδιο, το οποίο χρησιμοποιήθηκε ευρέως σε τοπικά δίκτυα. Σήμερα υπάρχουν ελάχιστα δίκτυα, τα οποία χρησιμοποιούν το ομοαξονικό καλώδιο, καθότι εδώ και χρόνια έχει αντικατασταθεί από το καλώδιο συνεστραμένων ζευγών. Το ομοαξονικό καλώδιο παίρνει το όνομά του από την κατασκευή του. Αποτελείται από κεντρικό χάλκινο αγωγό, ο οποίος περικλείεται από μονωτική πλαστική ύλη, την οποία καλούμε διηλεκτρικό. Γύρω από το διηλεκτρικό και ομοαξονικά τοποθετημένη ως προς τον κεντρικό αγωγό βρίσκεται θωράκιση από μεταλλικό πλέγμα ή φύλλο αλουμινίου. Το καλώδιο, τέλος, καλύπτεται από εξωτερικό μονωτικό περίβλημα. Γενικά υπάρχουν δυο τύποι ομοαξονικό καλωδίου στα τοπικά δίκτυα, το Thicknet (παχύ) και το Thinnet (λεπτό). 9

ΚΑΛΩΔΙΟ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ (FIBER OPTICS): Ένα άλλο αρκετά συνηθισμένο καλώδιο στις σύγχρονες καλωδιώσεις είναι η οπτική ίνα. Χρησιμοποιείται, κυρίως, όπου οι αποστάσεις είναι μεγάλες και δεν μπορεί να χρησιμοποιηθεί το καλώδιο συνεστραμένων ζευγών και όπου οι απαιτήσεις σε ρυθμούς μετάδοσης είναι αρκετά αυξημένες. Η βασική κατασκευή μιας οπτικής ίνας φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Στο κέντρο του καλωδίου υπάρχει η οπτική ίνα, η οποία κατασκευάζεται από γυαλί ικανό να μεταφέρει φωτεινή δέσμη συγκεκριμένου μήκους κύματος με πολύ λίγες απώλειες. Την οπτική ίνα περιβάλλει ειδική επίστρωση υλικού με μικρότερο δείκτη διάθλασης από το υλικό της ίνας, έτσι ώστε όλο το φως να παραμένει στον πυρήνα. Την επίστρωση περιβάλλει δέσμη συνθετικών ινών, οι οποίες έχουν στόχο την προστασία από πιθανά τραβήγματα, όπου είναι επικίνδυνο να σπάσει το γυαλί, το οποίο αποτελεί και τον πυρήνα της ίνας. Όλα τα παραπάνω περικλείονται σε εξωτερικό πλαστικό περίβλημα όμοιο με αυτό των καλωδίων συνεστραμένων ζευγών. Τα καλώδια οπτικών ινών περιέχουν από 1 έως 36 οπτικές ίνες. Τα πιο συνηθισμένα είναι τα καλώδια με ζυγό αριθμό οπτικών ινών για την επικοινωνία full-duplex κυκλωμάτων. ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΚΑΛΩΔΙΩΝ ΣΕ ΔΙΚΤΥΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ETHERNET Το Ethernet μπορεί να χρησιμοποιεί διάφορα μέσα μετάδοσης. Ο παρακάτω πίνακας δείχνει τους όρους που χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό των καλωδίων σε δίκτυα Ethernet, καθώς επίσης τις ταχύτητες και τις μέγιστες αποστάσεις. ΟΝΟΜΑ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΤΥΠΟΣ ΜΕΣΟΥ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΕΓΙΣΤΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗ 10BASE-2 Λεπτό ομοαξονικό 10 megabits 185 μέτρα 10BASE-5 Παχύ ομοαξονικό 10 megabits 500 μέτρα 10BASE-T CAT3 ή CAT5 UTP 10 megabits 100 μέτρα 10BASE-F Οπτικές ίνες 10 megabits 2000 μέτρα 100BASE-TX CAT5 UTP ή STP 100 megabits 100 μέτρα 100BASE-FX Οπτικές ίνες 100 megabits 2000 μέτρα 10

ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΣΥΝΔΕΣΗΣ ΓΕΦΥΡΕΣ: Μια γέφυρα (bridge) είναι μια συσκευή σύνδεσης που φιλτράρει και προωθεί πακέτα με τη φυσική τους διεύθυνση. Οι γέφυρες λειτουργούν στο επίπεδο πρόσβασης δικτύου του TCP/IP. Πρόσφατα οι γέφυρες χρησιμοποιούνται πιο σπάνια, καθώς τα δίκτυα αρχίζουν να χρησιμοποιούν πιο ευέλικτες συσκευές, όπως διακόπτες, που αναλύονται παρακάτω. Μια γέφυρα χρησιμοποιεί ένα πίνακα δρομολόγησης ως βάση για τις πληροφορίες παράδοσης, που βασίζεται σε φυσικές διευθύνσεις. Παρακολουθεί κάθε τμήμα του δικτύου, στο οποίο είναι συνδεδεμένη και δημιουργεί ένα πίνακα που δείχνει σε ποια τμήματα ανήκει κάθε φυσική διεύθυνση. Όταν τα δεδομένα μεταδίδονται σε ένα από τα τμήματα του δικτύου, η γέφυρα ελέγχει τη διεύθυνση προορισμού των δεδομένων και συμβουλεύεται τον πίνακα δρομολόγησης. Αν η διεύθυνση προορισμού είναι στο τμήμα από το οποίο λήφθηκαν τα δεδομένα, η γέφυρα αγνοεί τα δεδομένα. Αν η διεύθυνση προορισμού βρίσκεται σε διαφορετικό τμήμα, η γέφυρα προωθεί τα δεδομένα στο κατάλληλο τμήμα. Αν η διεύθυνση προορισμού δεν είναι στον πίνακα, η γέφυρα προωθεί τα δεδομένα σε όλα τα τμήματα εκτός από το τμήμα το οποίο λήφθηκε η μετάδοση. ΔΙΑΝΟΜΕΙΣ: Μέχρι μερικά χρόνια πριν, τα περισσότερα δίκτυα Ethernet χρησιμοποιούσαν ένα συνδυασμό που συνέδεε τους υπολογιστές με ένα μόνο συνεχόμενο ομοαξονικό καλώδιο. Πρόσφατα έχει κυριαρχήσει η μορφή Ethernet 10BASE-T, η οποία βασίζεται σε διανομείς. Σχεδόν όλα τα δίκτυα Ethernet σήμερα χρησιμοποιούν ένα κεντρικό διανομέα (hub) ή διακόπτη (switch), στον οποίο συνδέονται οι υπολογιστές του δικτύου. Ένας διανομέας Ethernet λαμβάνει μια μετάδοση από μια θύρα του και αναμεταδίδει αυτή τη μετάδοση σε όλες τις άλλες θύρες του. Με άλλα λόγια, το δίκτυο συμπεριφέρεται σαν να ήταν όλοι οι υπολογιστές συνδεδεμένοι μέσω μιας μόνο συνεχόμενης γραμμής. Ο διανομέας δεν φιλτράρει και δεν δρομολογεί τα δεδομένα. Αντίθετα απλώς λαμβάνει και αναμεταδίδει τα σήματα. ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ: Ένα δίκτυο Ethernet βασισμένο σε διανομείς, εξακολουθεί να αντιμετωπίζει τα βασικά μειονεκτήματα του Ethernet. Η απόδοση μειώνεται καθώς αυξάνει η κίνηση. Κανένας υπολογιστής δεν μεταδίδει εκτός και αν η γραμμή είναι ελεύθερη. Επιπλέον κάθε προσαρμογέας δικτύου πρέπει να λαμβάνει και να επεξεργάζεται κάθε πλαίσιο που τοποθετείται στο Ethernet. Για τον λόγο αυτό αναπτύχθηκε μια μικρότερη έκδοση ενός διανομέα, που ονομάζεται διακόπτης (switch). Κάθε υπολογιστής συνδέεται στον διακόπτη μέσω μόνο μιας γραμμής. Ωστόσο ο διακόπτης είναι εξυπνότερος για τον προορισμό που έχει λάβει σε μια από τις θύρες του. Οι διακόπτες, όπως και οι γέφυρες, λειτουργούν στο επίπεδο πρόσβασης 11

δικτύου του TCP/IP και συσχετίζουν κάθε θύρα με την φυσική διεύθυνση του υπολογιστή που είναι συνδεδεμένος σε αυτή τη θύρα, όπως φαίνεται στην παρακάτω εικόνα. Όταν ένας από τους υπολογιστές που είναι συνδεδεμένοι στη θύρα μεταδώσει ένα πλαίσιο, ο διακόπτης ελέγχει τη διεύθυνση προορισμού του πλαισίου και στέλνει το πλαίσιο στην θύρα που σχετίζεται με αυτήν την διεύθυνση προορισμού. Με άλλα λόγια ο διακόπτης στέλνει το πλαίσιο μόνο στον προσαρμογέα που θα πρέπει να το λάβει. Κάθε προσαρμογέας δεν χρειάζεται να εξετάζει κάθε πλαίσιο που μεταδίδεται στο δίκτυο. Ο διακόπτης περιορίζει τις περιττές μεταδόσεις και συνεπώς βελτιώνει την απόδοση του δικτύου. ΔΡΟΜΟΛΟΓΗΤΕΣ: Ένας δρομολογητής (router) είναι μια συσκευή που φιλτράρει την κίνηση σύμφωνα με την λογική διεύθυνση. Οι δρομολογητές λειτουργούν στο επίπεδο internet του TCP/IP, χρησιμοποιώντας τις πληροφορίες των IP διευθύνσεων που βρίσκονται στις επικεφαλίδες του επιπέδου internet. Οι δρομολογητές είναι απαραίτητοι σε οποιοδήποτε μεγάλο δίκτυο TCP/IP. Χωρίς αυτούς το Internet δεν θα λειτουργούσε. Το Internet ποτέ δεν θα είχε αναπτυχθεί σε αυτό που είναι σήμερα, χωρίς την εξέλιξη των δρομολογητών δικτύων και των πρωτοκόλλων δρομολόγησης TCP/IP. Ένα μεγάλο δίκτυο, όπως το Internet, περιέχει πολλούς δρομολογητές που παρέχουν επαναληπτικές διαδρομές από τον κόμβο προέλευσης ως τον κόμβο προορισμού. Οι δρομολογητές πρέπει να δουλεύουν ανεξάρτητα, αλλά το αποτέλεσμα του συστήματος πρέπει να είναι ότι τα δεδομένα κινούνται με ακρίβεια και αποτελεσματικά μέσω του διαδικτύου. 12

ΔΟΜΗΜΕΝΗ ΚΑΛΩΔΙΩΣΗ Ο όρος δομημένη καλωδίωση σε τοπικό δίκτυο υπολογιστών υποδηλώνει ότι η συνολική καλωδίωση του δικτύου μπορεί να διαιρεθεί σε επιμέρους απλές ενότητες. Στη δομημένη καλωδίωση απλές καλωδιακές δομές επαναλαμβάνονται και ενώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν μεγαλύτερες δομές με στόχο τη δημιουργία σύνθετου δικτύου, το οποίο θα εξυπηρετεί για παράδειγμα ένα μεγάλο κτίριο. Η δομημένη καλωδίωση χωρίζεται σε δύο τμήματα, τη δομή οριζόντιας καλωδίωσης (Horizontal wiring structure) και τη δομή κάθετης καλωδίωσης ή καλωδίωσης κορμού (Backbone wiring structure). ΟΡΙΖΟΝΤΙΑ ΚΑΛΩΔΙΩΣΗ Σαν οριζόντια καλωδίωση ορίζουμε το κομμάτι εκείνο της καλωδίωσης, το οποίο υλοποιεί την ένωση της εξόδου της κάρτας δικτύου του υπολογιστή με ένα σημείο συγκέντρωσης της οριζόντιας καλωδίωσης, τον κατανεμητή (patch panel) οριζόντιας καλωδίωσης. Έχουμε λοιπόν καλώδια, τα οποία ξεκινούν από κεντρικό σημείο (τον κατανεμητή) και πηγαίνουν με αστεροειδή διάταξη σε κάθε υπολογιστή. Η βασική μορφή της σύνδεσης υπολογιστή με τον κατανεμητή οριζόντιας καλωδίωσης φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, όπου έχουμε την βασική γραμμή, η οποία αναφέρεται σαν γραμμή σταθμού εργασίας (station cable). Η γραμμή αυτή ξεκινά από το πίσω μέρος του κατανεμητή και φτάνει έως την πρίζα παροχής δικτύου και υλοποιείται με καλώδιο συνεστραμένων ζευγών. Το μήκος της, όπως θεσπίζουν τα διεθνή πρότυπα, δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 90 μέτρα. Τα ειδικά καλώδια συνεστραμένων ζευγών, που χρησιμοποιούνται για τη διασύνδεση των σταθμών εργασίας με την πρίζα του δικτύου, ονομάζονται user cords. ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΚΑΛΩΔΙΩΣΗ Στις μπροστινές υποδοχές του κατανεμητή οριζόντιας καλωδίωσης εφαρμόζουν εύκαμπτα καλώδια συνεστραμένων ζευγών (patch cords), τα οποία συνδέονται στις μπροστινές υποδοχές άλλου κατανεμητή, ο οποίος ονομάζεται κατανεμητής κατακόρυφης καλωδίωσης. Η διαδικασία της σύνδεσης του κατανεμητή οριζόντιας καλωδίωσης με τον κατανεμητή 13

κατακόρυφης καλωδίωσης, χρησιμοποιώντας τα patch cords, ονομάζεται μικτονόμηση. Η κατακόρυφη καλωδίωση χρησιμοποιείται για να συνδέσει τους κατανεμητές κατακόρυφης καλωδίωσης, που βρίσκονται σε διαφορετικούς ορόφους, με κάποιον κεντρικό κατανεμητή. Από το πίσω μέρος του κάθε κατανεμητή κατακόρυφης καλωδίωσης φεύγουν καλώδια, τα οποία καταλήγουν σε κεντρικό κατανεμητή, που βρίσκεται σε άλλο σημείο του κτιρίου. ΤΟ ΙΚΡΙΩΜΑ (RACK) Οι κατανεμητές για την οριζόντια αλλά και για την κατακόρυφη καλωδίωση τοποθετούνται εντός ικριώματος, το οποίο είναι μεταλλικό κουτί με επιλέξιμες ανάλογα τις ανάγκες μας διαστάσεις και ειδικές υποδοχές για την τοποθέτηση των κατανεμητών αλλά και του ενεργού εξοπλισμού (Hubs, Switches κ.α.) Στην παρακάτω εικόνα περιγράφεται η γενική δομή της εφαρμογής δομημένης καλωδίωσης σε ένα κτίριο τριών ορόφων. 14

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 3 ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΠΡΟΣΒΑΣΗΣ ΔΙΚΤΥΟΥ ΤΟΥ TCP/IP (2) ΤΟ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟ STOP AND WAIT Το πρωτόκολλο στο οποίο ο αποστολέας στέλνει ένα πλαίσιο και μετά περιμένει μια επιβεβαίωση (acknowledgement) από τον παραλήπτη πριν προχωρήσει στη αποστολή του επόμενου πλαισίου ονομάζεται πρωτόκολλο Stop and Wait (Παύσης και Αναμονής). Το πρωτόκολλο Stop and Wait αποτελεί μια εφαρμογή αξιόπιστης μεταφοράς και ελέγχου ροής στο επίπεδο πρόσβασης δικτύου του TCP/IP, χωρίς να χρειάζεται η χρήση του πρωτοκόλλου TCP του επιπέδου μεταφοράς του TCP/IP. Τα χαμένα πακέτα αναμεταδίδονται στο επίπεδο πρόσβασης δικτύου πριν το αντιληφθεί το επίπεδο μεταφοράς. Το πρωτόκολλο αυτό επιβάλλει αυστηρή εναλλαγή ροής στην ανταλλαγή πλαισίων μεταξύ δύο κόμβων: πρώτα ο αποστολέας στέλνει ένα πλαίσιο, μετά ο παραλήπτης στέλνει ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης, μετά ο αποστολέας στέλνει το επόμενο στην σειρά πλαίσιο, μετά ο παραλήπτης στέλνει το επόμενο πλαίσιο επιβεβαίωσης, και ούτω καθεξής. Σε περίπτωση που κατά τη αποστολή κάποιου πλαισίου από τον αποστολέα το πλαίσιο αυτό χαθεί και ο παραλήπτης δεν απαντήσει με επιβεβαίωση, τότε ο αποστολέας ξαναστέλνει το πλαίσιο. 15

Στο παραπάνω σχήμα παρουσιάζεται η λειτουργία του πρωτοκόλλου Stop and Wait, περιγράφοντας στο πάνω μέρος του την επιτυχή αποστολή δύο πλαισίων και την επιτυχή λήψη δύο πλαισίων επιβεβαίωσης, και στο κάτω μέρος του την ανεπιτυχή αποστολή πλαισίου, άρα και την μη λήψη πλαισίου επιβεβαίωσης, περίπτωση κατά την οποία ο αποστολέας μετά το πέρασμα κάποιου χρονικού διαστήματος επιχειρεί να ξαναστείλει το πλαίσιο. Ο χρόνος μετάδοσης του πακέτου (frame transmission time) δίνεται από την σχέση:, όπου Packet Size είναι το μέγεθος του πλαισίου και Bit Rate (Tx Rx) είναι η ταχύτητα μετάδοσης από τον αποστολέα στον παραλήπτη. Ο χρόνος μετάδοσης του πλαισίου επιβεβαίωσης (ACK transmission time) δίνεται από την σχέση:, όπου ACK Size είναι το μέγεθος του πλαισίου επιβεβαίωσης και Bit Rate (Rx Tx) είναι η ταχύτητα μετάδοσης από τον παραλήπτη στον αποστολέα. Αν υποθέσουμε ότι το μέσο μετάδοσης, που χρησιμοποιείται για μετάδοση και προς τις δύο κατευθύνσεις, είναι το ίδιο, τότε και ο χρόνος διάδοσης των πακέτων (propagation time) θα είναι ο ίδιος και για τις 2 κατευθύνσεις και θα δίνεται από τη σχέση:, όπου Distance είναι η απόσταση μεταξύ του αποστολέα και του παραλήπτη και v είναι η ταχύτητα διάδοσης του μέσου μετάδοσης (συνήθως της τάξης μεγέθους της ταχύτητας του φωτός). ΑΠΟΔΟΣΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ STOP AND WAIT ΧΩΡΙΣ ΣΦΑΛΜΑΤΑ Ως απόδοση n του πρωτοκόλλου Stop and Wait χωρίς την ύπαρξη σφαλμάτων ορίζουμε τον ωφέλιμο χρόνο μετάδοσης ενός πλαισίου ως προς τον συνολικό χρόνο και δίνεται από τη σχέση: 16

ΑΠΟΔΟΣΗ ΠΡΩΤΟΚΟΛΛΟΥ STOP AND WAIT ΜΕ ΣΦΑΛΜΑΤΑ και Έστω P η πιθανότητα σφάλματος κατά την αποστολή ενός πλαισίου ο μέσος όρος σφαλμάτων. Τότε είναι:, και η απόδοση του πρωτοκόλλου Stop and Wait με σφάλματα δίνεται από τη σχέση:, όπου n η απόδοση του πρωτοκόλλου Stop and Wait χωρίς σφάλματα και άρα: ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Έστω ένας υπολογιστής Α και ένας υπολογιστής Β, οι οποίοι βρίσκονται σε επικοινωνία και ανταλλάσουν δεδομένα χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο Stop and Wait. Ο υπολογιστής Α στέλνει δεδομένα στον υπολογιστή Β με πλαίσια μεγέθους 512 bytes λαμβάνοντας επιβεβαιώσεις επιτυχούς λήψης από τον υπολογιστή Β μεγέθους 1 Kbits. Αν οι ταχύτητες μετάδοσης από τον αποστολέα στον παραλήπτη και από τον παραλήπτη στον αποστολέα είναι αντίστοιχα 16 Mbps και 8 Mbps και η απόσταση μεταξύ των 2 υπολογιστών είναι 200 km, να υπολογιστούν: i. Η απόδοση του πρωτοκόλλου Stop and Wait σε περίπτωση που δεν συμβαίνουν σφάλματα κατά τη διάρκεια της μετάδοσης. ii. Η απόδοση του πρωτοκόλλου Stop and Wait σε περίπτωση που η πιθανότητα σφάλματος κατά τη διάρκεια της μετάδοσης είναι 20%. 17

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 4 ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ INTERNET ΤΟΥ TCP/IP INTERNET PROTOCOL (IP) Όπως μάθατε στα προηγούμενα εργαστήρια, το TCP/IP αποκρύπτει τη φυσική διεύθυνση που έχει κάθε συσκευή δικτύου και οργανώνει το δίκτυο γύρω από μια λογική, ιεραρχική διευθυνσιοδότηση. Αυτή η λογική διευθυνσιοδότηση συντηρείται γύρω από το IP πρωτόκολλο στο επίπεδο Internet και ονομάζεται IP διεύθυνση. Έτσι το IP πρωτόκολλο είναι ανεξάρτητο από το υλικό και προσφέρει τις απαραίτητες υπηρεσίες για παράδοση των δεδομένων σε ένα περίπλοκο δίκτυο. Μια IP διεύθυνση είναι μια δυαδική διεύθυνση 32-bit. Αυτή η διεύθυνση 32-bit υποδιαιρείται σε τέσσερα τμήματα των 8-bit, που ονομάζονται οκτάδες. Οι άνθρωποι δεν δουλεύουν καλά με δυαδικές διευθύνσεις, έτσι η IP διεύθυνση σχεδόν πάντα εκφράζεται σε μια μορφή που ονομάζεται δεκαδική μορφή με τελείες. Στην δεκαδική μορφή με τελείες κάθε οκτάδα δίνεται σε ένα ισοδύναμο δεκαδικό αριθμό. Οι τέσσερεις δεκαδικές τιμές (4Χ8=32bit) χωρίζονται μετά με τελείες. Οκτώ δυαδικά bit μπορούν να αναπαραστήσουν οποιονδήποτε ακέραιο αριθμό από 0 έως 255, έτσι τα τμήματα μιας δεκαδικής διεύθυνσης με τελείες είναι δεκαδικοί αριθμοί από 0 έως 255. Μια IP διεύθυνση σε δεκαδική μορφή με τελείες δείχνει ως εξής: 202.119.78.33 Ένα μέρος της IP διεύθυνσης χρησιμοποιείται ως ID του δικτύου και το άλλο μέρος χρησιμοποιείται ως host ID. Μια επιπλοκή είναι ότι το τμήμα της διεύθυνσης που αφορά το ID του δικτύου διαφέρει, ανάλογα με την διεύθυνση. Οι περισσότερες IP διευθύνσεις ανήκουν στις παρακάτω κλάσεις: Διευθύνσεις Κλάσης A: Τα πρώτα 8 bit της IP διεύθυνσης χρησιμοποιούνται για το ID του δικτύου. Τα τελευταία 24 bit χρησιμοποιούνται για το host ID. Διευθύνσεις Κλάσης B: Τα πρώτα 16 bit της IP διεύθυνσης χρησιμοποιούνται για το ID του δικτύου. Τα τελευταία 16 bit χρησιμοποιούνται για το host ID. Διευθύνσεις Κλάσης C: Τα πρώτα 24 bit της IP διεύθυνσης χρησιμοποιούνται για το ID του δικτύου. Τα τελευταία 8 bit χρησιμοποιούνται για το host ID. Διευθύνσεις Κλάσης D: Οι διευθύνσεις κλάσης D χρησιμοποιούνται για πολλαπλή μετάδοση. Μια πολλαπλή μετάδοση (multicast) είναι ένα μήνυμα που στέλνεται σε ένα υποσύνολο του δικτύου. Όπως φαίνεται παραπάνω, η Κλάση A παρέχει ένα μικρό αριθμό από πιθανά ID του δικτύου και ένα τεράστιο αριθμό από πιθανά host ID για κάθε δίκτυο. Ένα δίκτυο Κλάσης A μπορεί να υποστηρίξει σχεδόν 2 24 (16,777,216) host. Ένα δίκτυο κλάσης C, από την άλλη, μπορεί να υποστηρίξει ένα μικρό αριθμό host (σχεδόν 2 8 =256), αλλά υπάρχουν διαθέσιμοι πολλοί περισσότεροι συνδυασμοί ID δικτύου. 18

Οι σχεδιαστές του TCP/IP έγραψαν τους κανόνες της διεύθυνσης έτσι ώστε η κλάση μιας διεύθυνσης να είναι προφανής από την ίδια την διεύθυνση και ένας υπολογιστής ή δρομολογητής να ξέρει αν θα μεταφράσει μια IP διεύθυνση ως διεύθυνση Κλάσης A, B, C ή D. Τα πρώτα bit της δυαδικής διεύθυνσης καθορίζουν αν η διεύθυνση θα πρέπει να μεταφραστεί ως διεύθυνση Κλάσης A, B, C ή D και οι κανόνες για μετάφραση των διευθύνσεων είναι οι εξής: Αν η δυαδική διεύθυνση των 32-bit ξεκινά με 0, η διεύθυνση είναι Κλάσης A. Αν η δυαδική διεύθυνση των 32-bit ξεκινά με 10, η διεύθυνση είναι Κλάσης B. Αν η δυαδική διεύθυνση των 32-bit ξεκινά με 110, η διεύθυνση είναι Κλάσης C. Αν η δυαδική διεύθυνση των 32-bit ξεκινά με 1110, η διεύθυνση είναι Κλάσης D. ΥΠΟΔΙΚΤΥΑ ΣΤΟ TCP/IP Το σύστημα κλάσης διευθύνσεων που μόλις περιγράφτηκε παραπάνω, επιτρέπει σε όλους τους κύριους υπολογιστές να προσδιορίζουν το ID του δικτύου σε μια IP διεύθυνση και να στέλνουν ένα datagram στο σωστό δίκτυο. Ωστόσο ο προσδιορισμός ενός τμήματος δικτύου από το ID δικτύου της Κλάσης A, B ή C παρουσιάζει κάποιους περιορισμούς. Ο βασικός περιορισμός αυτού του συστήματος είναι ότι δεν παρέχει κάποια λογική υποδιαίρεση του χώρου διευθύνσεων κάτω από το επίπεδο του δικτύου. Ας υποθέσουμε ένα δίκτυο Κλάσης A. Το δίκτυο αυτό έχει χώρο για πάνω από 16 εκατομμύρια ID κυρίων υπολογιστών, αρά θα μπορούσε να περιλαμβάνει εκατομμύρια κύριους υπολογιστές. Σε αυτή την περίπτωση και για να υπάρχει πιο αποτελεσματική παράδοση σε ένα τόσο μεγάλο δίκτυο, ο χώρος διευθύνσεων μπορεί να διαιρεθεί σε μικρότερα τμήματα. 19

Όπως περιγράφεται στην παραπάνω εικόνα, το TCP/IP παρέχει ένα δεύτερο επίπεδο λογικής οργάνωσης πέρα από το ID του δικτύου, το οποίο καλείται υποδίκτυο. Ένα υποδίκτυο (subnet) είναι μια λογική διαίρεση του χώρου διευθύνσεων του δικτύου. Έτσι, οι δρομολογητές μπορούν να παραδώσουν ένα datagram σε μια διεύθυνση υποδικτύου μέσα στο δίκτυο (που αντιστοιχεί γενικά σε ένα τμήμα του δικτύου) και αφού το datagram φτάσει στο υποδίκτυο, μπορεί να επιλυθεί σε μια φυσική διεύθυνση χρησιμοποιώντας το πρωτόκολλο ARP. Από πού όμως προέρχεται αυτή η διεύθυνση υποδικτύου, από τη στιγμή που χρησιμοποιούνται και τα 32 bit της IP διεύθυνσης για το ID του δικτύου και το ID του κυρίου υπολογιστή; Η απάντηση είναι ότι οι σχεδιαστές του TCP/IP φρόντισαν να υπάρχει ένας τρόπος να γίνεται δανεισμός μερικών από τα bit του ID του κυρίου υπολογιστή για να υποδηλώνεται μια διεύθυνση υποδικτύου. Μια παράμετρος, που ονομάζεται μάσκα υποδικτύου (subnet mask), δείχνει πόσο μέρος της διεύθυνσης θα πρέπει να χρησιμοποιηθεί για το ID του υποδικτύου και πόσο θα μείνει στο ID του κύριου υπολογιστή. Όπως μια IP διεύθυνση, έτσι και μια μάσκα υποδικτύου είναι ένας δυαδικός αριθμός 32-bit. Τα bit της μάσκας υποδικτύου διατάσσονται σε ένα μοτίβο που αποκαλύπτει το ID του υποδικτύου της IP διεύθυνσης με την οποία συσχετίζεται η μάσκα. Η παρακάτω εικόνα δείχνει ένα ζευγάρι IP διεύθυνσης και μάσκας υποδικτύου. Κάθε θέση bit στη μάσκα υποδικτύου αντιπροσωπεύει μια θέση bit στην IP διεύθυνση. Η μάσκα υποδικτύου χρησιμοποιεί το 1 σε κάθε bit της IP διεύθυνσης που αποτελεί μέρος του ID του δικτύου ή του ID του υποδικτύου. Η μάσκα υποδικτύου χρησιμοποιεί το 0 για να υποδηλώσει κάθε bit της IP διεύθυνσης που αποτελεί μέρος του ID του κυρίου υπολογιστή. Με άλλα λόγια, η μάσκα υποδικτύου ορίζει πόσα bit θα χρησιμοποιηθούν μετά το ID του δικτύου στο ID του υποδικτύου. Το ID του υποδικτύου μπορεί να διαφέρει σε μέγεθος, ανάλογα την τιμή που επιλέγεται για την μάσκα υποδικτύου. Όσο μεγαλώνει το ID του υποδικτύου, τόσα λιγότερα bit μένουν για το ID του κύριου υπολογιστή. Η εκχώρηση του ID του υποδικτύου (και συνεπώς, η εκχώρηση μιας μάσκας υποδικτύου) εξαρτάται από την διαμόρφωση του δικτύου σας. 20

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ Ένα απλό παράδειγμα υποδικτύωσης είναι ένα δίκτυο κλάσης B, στο οποίο η τρίτη οκτάδα δεσμεύεται για τον αριθμό του υποδικτύου. Στην παρακάτω εικόνα το δίκτυο 129.100.0.0 χωρίζεται σε 4 υποδίκτυα. Οι IP διευθύνσεις του δικτύου παίρνουν την μάσκα υποδικτύου 255.255.255.0 που δηλώνει ότι το ID του δικτύου και το ID του υποδικτύου καταλαμβάνουν 3 οκτάδες της IP διεύθυνσης. Επειδή η διεύθυνση είναι μια διεύθυνση κλάσης B, οι πρώτες δύο οκτάδες της διεύθυνσης αποτελούν το ID του δικτύου. Τα υποδίκτυα στην παρακάτω εικόνα έχουν τις παρακάτω παραμέτρους: ID υποδικτύου A: 129.100.128.0 ID υποδικτύου B: 129.100.192.0 ID υποδικτύου C: 129.100.224.0 Δεν μπορούν να εκφραστούν ID κυρίων υπολογιστών που να είναι είτε όλα 1, είτε όλα 0. Συνεπώς η παραπάνω διαμόρφωση υποστηρίζει 254 υποδίκτυα και 254 διευθύνσεις ανά υποδίκτυο. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ Έστω ένα δίκτυο κλάσης C με ID 212.114.32.0 Το δίκτυο αυτό προκειμένου να εξυπηρετήσει τις ανάγκες μιας επιχείρησης θα πρέπει να χωρισθεί σε 5 υποδίκτυα με το καθένα από αυτά να αποτελείται από 5 υπολογιστές. i. Ποια μάσκα υποδικτύου θα πρέπει να χρησιμοποιήσουμε; ii. Ποιο θα είναι το ID του κάθε υποδικτύου και ποια τα ID των υπολογιστών κάθε υποδικτύου; 21

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 5 ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ INTERNET ΤΟΥ TCP/IP (2) ΒΟΗΘΗΤΙΚΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΑ ΣΥΝΔΕΣΜΟΛΟΓΙΑΣ Η ΕΝΤΟΛΗ HOSTNAME Η εντολή hostname εμφανίζει το όνομα του υπολογιστή που εκτελείται. Πληκτρολογήστε: C:\>hostname Ποιο είναι το όνομα του υπολογιστή σας; Η ΕΝΤΟΛΗ ARP Όπως έχει ήδη αναφερθεί σε προηγούμενα εργαστήρια το πρωτόκολλο ARP (Address Resolution Protocol) είναι ένα βασικό πρωτόκολλο TCP/IP, που χρησιμοποιείται για να προσδιορίσει τη φυσική διεύθυνση, που αντιστοιχεί σε μια IP διεύθυνση. Κάθε κύριος υπολογιστής σε ένα δίκτυο TCP/IP διατηρεί μια ARP cache, δηλαδή ένα πίνακα που χρησιμοποιείται για να συνδέσει τις IP διευθύνσεις σε φυσικές διευθύνσεις. Πληκτρολογήστε: C:\>arp a Η εντολή αυτή μας επιστρέφει τα περιεχόμενα της ARP cache του υπολογιστή που εκτελείται. Η εντολή: C:\>arp a IP_address επιστρέφει την αντιστοιχία IP και φυσικής διεύθυνσης για τον καθορισμένο υπολογιστή. Η ΕΝΤΟΛΗ IPCONFIG Η εντολή ipconfig εμφανίζει πληροφορίες για τις βασικές IP ρυθμίσεις του υπολογιστή που εκτελείται. Η IP διεύθυνση συσχετίζεται με μια διασύνδεση δικτύου (όπως μια κάρτα δικτύου) και όχι με τον ίδιο τον υπολογιστή. Αν ένας υπολογιστής έχει δύο διασυνδέσεις δικτύου, θα έχει δύο IP διευθύνσεις. Πληκτρολογήστε: C:\>ipconfig Όταν πληκτρολογείτε το ipconfig χωρίς παραμέτρους, εμφανίζει τις προκαθορισμένες τιμές της IP διεύθυνσης, της μάσκας υποδικτύου και της προκαθορισμένης πύλης (default gateway). 22

Πληκτρολογήστε τώρα: C:\>ipconfig /all Η εντολή ipconfig /all εμφανίζει επιπλέον πληροφορίες όπως τις IP διευθύνσεις για τους DNS και DHCP διακομιστές (servers) που έχει διαμορφωθεί ο υπολογιστής να χρησιμοποιεί, καθώς επίσης και τη φυσική διεύθυνση που έχει ενσωματωθεί στην κάρτα δικτύου. Ένας DNS (Domain Name System) διακομιστής διατηρεί πίνακες που ορίζουν τις συσχετίσεις ονομάτων σε IP διευθύνσεις. Οι υπολογιστές σε ένα δίκτυο ζητούν από τους DNS διακομιστές τις πληροφορίες αντιστοίχισης της IP διεύθυνσης ενός υπολογιστή με ένα όνομα (π.χ. lab5pc17 ή www.sport24.gr). Ένας DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) διακομιστής εκχωρεί αυτόματα (δυναμικά) παραμέτρους διαμόρφωσης TCP/IP (IP διεύθυνση, μάσκα υποδικτύου κ.α.) σε υπολογιστές σε ένα δίκτυο. Η ΕΝΤΟΛΗ PING Η εντολή ping είναι ένα πολύ χρήσιμο διαγνωστικό εργαλείο, που ξεκινά έναν απλό έλεγχο σύνδεσης με το δίκτυο και αναφέρει αν κάποιος άλλος υπολογιστής αποκρίνεται. Με πιο απλά λόγια η εντολή ping στέλνει ένα μήνυμα σε ένα άλλον υπολογιστή που του λέει «Είσαι εκεί;» και τον περιμένει να αποκριθεί. Χρησιμοποιεί το πρωτόκολλο ICMP (Internet Control Message Protocol), το οποίο είναι ένα πρωτόκολλο που χρησιμοποιείται για λειτουργίες διάγνωσης και αντιμετώπισης προβλημάτων σε ένα δίκτυο TCP/IP. Το ping στέλνει ένα datagram σε μια IP διεύθυνση και ζητά από τον υπολογιστή προορισμού να επιστρέψει τα δεδομένα που στέλνει σε ένα datagram απόκρισης. Οι εντολές που συνήθως χρησιμοποιούνται είναι οι ICMP Echo Request και ICMP Echo Reply. Πληκτρολογήστε: C:\>ping www.teiion.gr C:\>ping www.sport.gr C:\>ping www.facebook.com Ποια στοιχεία μας εμφανίζει στην έξοδο η ping σε κάθε περίπτωση; Η ΕΝΤΟΛΗ TRACERT Το βοηθητικό πρόγραμμα tracert χρησιμοποιείται για να εντοπίζει τη διαδρομή που ακολουθούν τα datagram καθώς ταξιδεύουν από τον υπολογιστή σας μέσω πολλών εξόδων στον προορισμό τους. Η διαδρομή που ανιχνεύεται από την εντολή tracert είναι απλώς μια διαδρομή μεταξύ της προέλευσης και του προορισμού. Δεν υπάρχει εγγύηση ότι τα datagram θα ακολουθούν πάντα αυτή τη διαδρομή. Η χρήση DNS συνήθως μας προσδιορίζει τα ονόματα πόλεων, περιοχών και συνηθισμένων μεταφορέων από τις αποκρίσεις. Το tracert είναι μια αργή εντολή, θα πρέπει να περιμένετε σχεδόν 10 με 15 δευτερόλεπτα ανά δρομολογητή. Χρησιμοποιεί και αυτό το πρωτόκολλο ICMP για να εντοπίσει κάθε δρομολογητή που υπάρχει μεταξύ το υπολογιστή προέλευσης και του υπολογιστή προορισμού. Πληκτρολογήστε: 23

C:\>tracert www.ntua.gr C:\>tracert www.manchester.ac.uk C:\>tracert www.harvard.edu Ποια στοιχεία μας εμφανίζει στην έξοδο η tracert σε κάθε περίπτωση; ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 1 Στην παρακάτω εικόνα περιγράφεται η χρήση ενός DNS διακομιστή για την παροχή υπηρεσιών επίλυσης ονομάτων σε ένα τοπικό δίκτυο. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 2 Στην παρακάτω εικόνα περιγράφεται η χρήση ενός δυναμικού DNS διακομιστή. Κάθε φορά που ξεκινά ο Host 1 τού εκχωρείται δυναμικά μια IP διεύθυνση μέσω του DHCP διακομιστή και στη συνέχεια ενημερώνει τον DNS διακομιστή, προκειμένου να εγγραφεί στο σύστημα DNS και να είναι προσπελάσιμος με το hostname του. 24

ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ 6 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΔΙΚΤΥΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΙ ΕΙΝΑΙ Η ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ Η προσομοίωση είναι η μίμηση της λειτουργίας ενός πραγματικού συστήματος και η παρακολούθηση της εξέλιξής του μέσα στο χρόνο. Η προσομοίωση δημιουργεί ένα τεχνητό ιστορικό του συστήματος, η μελέτη του οποίου μας βοηθά να καταλάβουμε τη συμπεριφορά του αντίστοιχου πραγματικού συστήματος. Η μελέτη της συμπεριφοράς ενός συστήματος όπως αυτό εξελίσσεται μέσα στο χρόνο γίνεται με την ανάπτυξη ενός μοντέλου προσομοίωσης. Το μοντέλο αυτό χρησιμοποιεί μια σειρά από υποθέσεις που στηρίζονται στη λειτουργία του πραγματικού συστήματος. Οι υποθέσεις αυτές εκφράζονται μέσω μαθηματικών, λογικών και συμβολικών σχέσεων μεταξύ των αντικειμένων του συστήματος. Μετά την ανάπτυξη και τον έλεγχο του μοντέλου, αρχίζουμε να εξετάζουμε μια σειρά από υποθετικές συνθήκες λειτουργίας του πραγματικού συστήματος. Η προσομοίωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί και ως ένα εργαλείο ανάλυσης για την πρόβλεψη της επίδρασης διάφορων αλλαγών σε ήδη υπάρχοντα συστήματα, αλλά και ως ένα εργαλείο σχεδίασης για την πρόβλεψη της απόδοσης νέων συστημάτων κάτω από διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας. Αν οι σχέσεις που συνθέτουν το μοντέλο είναι αρκετά απλές, τότε μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μαθηματικές μεθόδους, όπως είναι η άλγεβρα, η θεωρία των πιθανοτήτων και η ανάλυση, για να έχουμε ακριβείς πληροφορίες για τα ερωτήματα που μας ενδιαφέρουν. Μια τέτοια ανάλυση ονομάζεται αναλυτική λύση (analytic solution). Τα περισσότερα συστήματα όμως είναι πολύ σύνθετα και τα μοντέλα τους δεν μπορούν να υπολογιστούν αναλυτικά. Τότε τα μοντέλα αυτά πρέπει να μελετηθούν με την προσομοίωση (simulation). Στην προσομοίωση χρησιμοποιούμε έναν υπολογιστή για να υπολογίσουμε το μοντέλο αριθμητικά (numerically) και με τα αποτελέσματα που συλλέγουμε κάνουμε μια εκτίμηση των πραγματικών χαρακτηριστικών του συστήματος. ΤΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΕΝΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ Ένα σύστημα (system) ορίζεται σαν μια συλλογή οντοτήτων (entities) που λειτουργούν μαζί με κάποια αλληλοεπίδραση ή αλληλεξάρτηση για την επίτευξη κάποιου σκοπού. Άλλες χρήσιμες έννοιες για την μελέτη ενός συστήματος είναι τα χαρακτηριστικά (attributes) των οντοτήτων και οι δραστηριότητες (activities). Μια δραστηριότητα (activity) αντιστοιχεί σε μια χρονική περίοδο συγκεκριμένης διάρκειας. Η κατάσταση (state) ενός συστήματος ορίζεται να είναι εκείνη η συλλογή μεταβλητών, οι οποίες είναι απαραίτητες για την περιγραφή του συστήματος οποιαδήποτε χρονική στιγμή, σε σχέση βέβαια με τους σκοπούς της μελέτης. Τέλος το γεγονός (event) ορίζεται ως ένα στιγμιαίο συμβάν που μπορεί να αλλάξει την κατάσταση του συστήματος. 25

ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ Τα μοντέλα προσομοίωσης διακρίνονται στις εξής κατηγορίες: Στατικά και δυναμικά μοντέλα προσομοίωσης: Ένα στατικό (static) μοντέλο προσομοίωσης αναπαριστά ένα σύστημα σε κάποια συγκεκριμένη χρονική στιγμή ή ένα σύστημα που δεν εξαρτάται από τον χρόνο. Τα μοντέλα αυτά ονομάζονται και Monte Carlo. Τα δυναμικά (dynamic) μοντέλα προσομοίωσης αναπαριστούν ένα σύστημα που μεταβάλλεται σε σχέση με τον χρόνο. Ντετερμινιστικά και στοχαστικά μοντέλα προσομοίωσης: Ένα μοντέλο προσομοίωσης που δεν περιέχει τυχαίες μεταβλητές και που έχει ένα γνωστό set από εισόδους, που οδηγεί σε ένα μοναδικό set από εξόδους ονομάζεται ντετερμινιστικό (deterministic). Ένα μοντέλο προσομοίωσης που περιέχει μία ή περισσότερες τυχαίες μεταβλητές και που έχει ένα τυχαίο set από εισόδους, που οδηγεί σε τυχαία αποτελέσματα, ονομάζεται στοχαστικό (stochastic). Συνεχή και διακεκριμένα μοντέλα προσομοίωσης: Τα διακεκριμένα (discrete) και τα συνεχή (continuous) μοντέλα προσομοίωσης ορίζονται ανάλογα με τα διακεκριμένα και συνεχή συστήματα. Στα διακεκριμένα συστήματα οι μεταβλητές κατάστασης μεταβάλλονται στιγμιαία σε διακεκριμένες χρονικές στιγμές. Στα συνεχή συστήματα οι μεταβλητές κατάστασης μεταβάλλονται συνεχώς σε σχέση με τον χρόνο. Τα μοντέλα προσομοίωσης που είναι διακεκριμένα, δυναμικά και στοχαστικά ονομάζονται μοντέλα προσομοίωσης διακεκριμένων γεγονότων (discrete-event simulation models). TI EINAI TO OPNET Το OPNET είναι μια εφαρμογή για την προσομοίωση δικτύων υπολογιστών που επιτρέπει στους διαχειριστές και στους σχεδιαστές δικτύων να αξιολογούν την απόδοση δικτύων υπολογιστών και κατανεμημένων συστημάτων. Η περιγραφή του δικτύου γίνεται σε γραφικό περιβάλλον, χωρίς να απαιτείται προγραμματισμός από την πλευρά του χρήστη. Το OPNET αναλύει τη συμπεριφορά και την απόδοση ενός δικτύου χρησιμοποιώντας την προσομοίωση διακεκριμένων γεγονότων (discrete event simulation). Η προσομοίωση διακεκριμένων γεγονότων είναι μια γρήγορη και αποτελεσματική προσέγγιση για την προσομοίωση της συμπεριφοράς σύνθετων συστημάτων, τα οποία μπορούν να παρασταθούν σαν την πρόοδο αλληλένδετων γεγονότων. Για την μοντελοποίηση των διαφόρων δικτύων ακολουθούνται τρία βασικά βήματα: 1. Καθορισμός του μοντέλου (Model Specification). 2. Συλλογή δεδομένων και προσομοίωση (Data Collection and Simulation). 3. Ανάλυση αποτελεσμάτων (Result Analysis). 26