ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Δίκτυα υπολογιστών και το Διαδίκτυο 1.1
Οι στόχοι μας σε αυτό το κεφάλαιο: Να περιγράψουμε τι είναι το τοπικό δίκτυο (LAN) και το δίκτυο ευρείας περιοχής (WAN). Να διακρίνουμε ένα απλό διαδίκτυο από το Διαδίκτυο (Internet). Να περιγράψουμε το σύνολο πρωτοκόλλων TCP/IP ως μοντέλο δικτύωσης του Διαδικτύου. Να ορίσουμε τα επίπεδα του συνόλου πρωτοκόλλων TCP/IP και τη σχέση τους. Να περιγράψουμε εφαρμογές στο επίπεδο εφαρμογής. 1.2 Να περιγράψουμε τις υπηρεσίες που παρέχουν τα πρωτόκολλα του επιπέδου μεταφοράς.
Οι στόχοι μας σε αυτό το κεφάλαιο (συνέχεια): Να περιγράψουμε τις υπηρεσίες που παρέχουν τα πρωτόκολλα του επιπέδου δικτύου. Να περιγράψουμε τα διάφορα πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται στο επίπεδο συνδέσμου δεδομένων. Να περιγράψουμε τον ρόλο του φυσικού επιπέδου. Να περιγράψουμε τα διάφορα μέσα μετάδοσης που χρησιμοποιούνται στη δικτύωση των υπολογιστών. 1.3
6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Σε αυτό το κεφάλαιο θα αναφερθούμε στο Διαδίκτυο (Internet), ένα σύστημα το οποίο καθιστά εφικτή τη δικτυακή διασύνδεση δισεκατομμυρίων υπολογιστών σε ολόκληρο τον κόσμο. Παρόλα αυτά, όταν αναφερόμαστε στο Διαδίκτυο, συνήθως η εικόνα που σχηματίζουμε στο μυαλό μας δεν αφορά ένα ενιαίο δίκτυο, αλλά έναν συνδυασμό επιμέρους δικτύων. Γι' αυτό θα ξεκινήσουμε την αναφορά μας διατυπώνοντας αρχικά τον ορισμό του δικτύου. Στη συνέχεια, θα δείξουμε πώς μπορούμε να συνδέουμε μεταξύ τους δίκτυα ώστε να σχηματίζουν μεγαλύτερα. Και έπειτα, θα δείξουμε τη δομή του Διαδικτύου και θα θέσουμε τις βάσεις για να το μελετήσουμε διεξοδικά στο υπόλοιπο του κεφαλαίου. 1.4
Δίκτυα Υπολογιστών Δύο ή περισσότερα ψηφιακά συστήματα που συνδέονται μεταξύ τους σχηματίζουν ένα δίκτυο 1.5
Σκοπός και Στόχοι Ανάγκη ύπαρξης των δικτύων να μπορούν οι χρήστες των υπολογιστών να επικοινωνούν μεταξύ τους και να χρησιμοποιούν από απόσταση τις υπηρεσίες που προσφέρει κάποιος υπολογιστής του δικτύου. Διαμερισμός των πόρων (resource sharing) Υψηλή αξιοπιστία (high reliability) Εξοικονόμηση χρημάτων (saving money) Επικοινωνία (communication) 1.6
Τοπολογίες Δίαυλος (Bus) Δακτύλιος (Ring) Αστέρι (Star) Υβριδικές Τοπολογίες 1.7
1.8 Εικόνα 6.1: Ένα παράδειγμα τοπικού δικτύου (LAN)
1.9 Εικόνα 6.2: Ένα δίκτυο ευρείας περιοχής σημείου προς σημείο και ένα δίκτυο ευρείας περιοχής με μεταγωγή
Εικόνα 6.3: Ένα διασυνδεδεμένο δίκτυο που αποτελείται από LAN και WAN 1.10
Ταχύτητα Ρυθμός Μετάδοσης Ταχύτητα Μετριέται σε bits per second bps 1.11
Σφάλματα και Διόρθωση Σφάλματα Μετάδοσης Αναγνώριση και διόρθωση τους ισοτιμία διδιάστατες τεχνικές ελέγχου τις ισοτιμίας κυκλικοί κώδικές κώδικες σταθερού λόγου, κ.ο.κ. 1.12
Πρωτόκολλα Ένα σύνολο από συμβάσεις που καθορίζουν το πώς πρέπει να πραγματοποιηθεί κάποια διαδικασία Λειτουργίες Κατακερματισμός των μηνυμάτων σε πακέτα Επανασύνθεση των μηνυμάτων Διευθυνσιοδότηση Έλεγχος σύνδεσης Έλεγχος ροής Έλεγχος και διόρθωση σφαλμάτων Ταξινόμηση των πακέτων Προτεραιότητα Ασφάλεια επικοινωνίας, κ.ά. 1.13
Ethernet Το Ethernet είναι το πλέον χρησιμοποιούμενο πρωτόκολλο ενσύρματης τοπικής δικτύωσης υπολογιστών Fast Ethernet (100 MBPS Ethernet) Gigabit Ethernet (1000 MBPS Ethernet- 40GB) 1.14
Εικόνα 6.5: Ένα πρωτόκολλο τριών επιπέδων 1.15
Εικόνα 6.6: Λογική σύνδεση μεταξύ ομότιμων επιπέδων 1.16
Εικόνα 6.7: Τα επίπεδα του συνόλου πρωτοκόλλων TCP/IP 1.17
Εικόνα 6.8: Επικοινωνία μέσω διασυνδεδεμένου δικτύου 1.18
Εικόνα 6.9: Διευθυνσιοδότηση και ονόματα πακέτων στο σύνολο πρωτοκόλλων TCP/IP 1.19
6.2 ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ Μετά από αυτή τη συνοπτική αναφορά στα δίκτυα, τα διασυνδεδεμένα δίκτυα και το Διαδίκτυο, μπορούμε να μελετήσουμε κάθε επίπεδο του πρωτοκόλλου TCP/IP ξεχωριστά. Θα ξεκινήσουμε από το πέμπτο επίπεδο και θα φτάσουμε έως το πρώτο. Το πέμπτο επίπεδο του πρωτοκόλλου TCP/IP είναι το επίπεδο εφαρμογής (application layer). Το επίπεδο εφαρμογής είναι υπεύθυνο για την παροχή υπηρεσιών στον χρήστη. Η επικοινωνία γίνεται μέσω λογικής σύνδεσης, δηλαδή τα δύο επίπεδα εφαρμογών θεωρούν ότι υφίσταται μια ιδεατή απευθείας σύνδεση μεταξύ τους. 1.20
Εικόνα 6.10: Η λογική σύνδεση στο επίπεδο εφαρμογής 1.21
Εικόνα 6.11: Ένα παράδειγμα στο οποίο εφαρμόζεται το υπόδειγμα πελάτη-διακομιστή 1.22
Εικόνα 6.12: Ένα παράδειγμα στο οποίο εφαρμόζεται το υπόδειγμα ομότιμης σύνδεσης 1.23
Εικόνα 6.13: Παράδειγμα 6.1 1.24
Εικόνα 6.14: Το πρωτόκολλο FTP 1.25
Εικόνα 6.15: Μια συνηθισμένη περίπτωση χρήσης του ηλεκτρονικού ταχυδρομείου 1.26
Εικόνα 6.16: Ο σκοπός του Συστήματος Ονομάτων Τομέων (DNS) 1.27
Εικόνα 6.17: Γενικοί τομείς 1.28
Πίνακας 6.1: Ετικέτες περιγραφής γενικών τομέων 1.29
Εικόνα 6.18: Τομείς χωρών 1.30
6.3 ΤΟ ΕΠΙΠΕΔΟ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ Μεταξύ του επιπέδου εφαρμογής και του επιπέδου δικτύου του TCP/IP μεσολαβεί το επίπεδο μεταφοράς (transport layer). Αυτό παρέχει υπηρεσίες στο επίπεδο εφαρμογής και είναι αποδέκτης υπηρεσιών από το επίπεδο δικτύου. Το επίπεδο μεταφοράς έχει τον ρόλο του «διαμεσολαβητή» ανάμεσα στο πρόγραμμαπελάτης και στο πρόγραμμα-διακομιστής. 1.31
Εικόνα 6.19: Η λογική σύνδεση στο επίπεδο μεταφοράς 1.32
Εικόνα 6.20: Επίπεδο δικτύου και επίπεδο μεταφοράς 1.33
Εικόνα 6.21: Αριθμοί θυρών 1.34
Εικόνα 6.22: Η μορφή του αυτοδύναμου πακέτου χρήστη 1.35
Εικόνα 6.23: Τμήματα TCP 1.36
6.4 ΤΟ ΕΠIΠΕΔΟ ΔΙΚΤYΟΥ 1.37 Στο TCP/IP, το επίπεδο δικτύου αναλαμβάνει την παράδοση των μηνυμάτων από υπολογιστή σε υπολογιστή. Το επίπεδο δικτύου δέχεται από το επίπεδο μεταφοράς ένα πακέτο, το οποίο ενθυλακώνει σε ένα αυτοδύναμο πακέτο και παραδίδει στο επίπεδο συνδέσμου δεδομένων. Στον υπολογιστή προορισμού απεμπλέκεται το αυτοδύναμο πακέτο για να εξαχθεί από αυτό το πακέτο του μηνύματος και να παραδοθεί στο αντίστοιχο επίπεδο μεταφοράς.
Εικόνα 6.24: Η επικοινωνία στο επίπεδο δικτύου 1.38
Εικόνα 6.25: Η δημιουργία των πακέτων στο επίπεδο δικτύου 1.39
Εικόνα 6.26: Πακέτα που ακολουθούν διαφορετικές διαδρομές 1.40
Εικόνα 6.27: Συμβολισμός διευθύνσεων Διαδικτύου 1.41
Διευθυνσιοδότηση Σε κάθε υπολογιστή αντιστοιχίζεται μια μοναδική διεύθυνση, που ονομάζεται διεύθυνση IP (IP address) Μια διεύθυνση IP αποτελείται από 4 αριθμούς χωρισμένους με τελείες, a.b.c.d 0.0.0.0-255.255.255.255 (256) 4 διευθύνσεις π.χ. 147.102.154.12 1.42
Κλάσεις Υποδικτύων Τα υποδίκτυα που απαρτίζουν το Internet διαιρούνται σε 3 τάξεις (classes) ανάλογα με το μέγεθός τους, δηλ. ανάλογα με τον αριθμό των υπολογιστών που διευθυνσιοδοτούν: μεγάλα(τάξη A), διατηρείται σταθερός ο πρώτος αριθμός της ip διεύθυνσης (σύνολο 256 3 διευθύνσεις) π.χ. 150.b.c.d μεσαία(τάξη B), διατηρούνται σταθεροί οι δύο πρώτοι αριθμοί της ip διεύθυνσης (σύνολο 256 2 διευθύνσεις) π.χ. 150.140.c.d μικρά(τάξη C), διατηρούνται σταθεροί οι τρεις πρώτοι αριθμοί της ip διεύθυνσης (σύνολο 256 διευθύνσεις) π.χ. 150.140.140.d 1.43
Κλάσεις Υποδικτύων Class A 0 Δίκτυο (7 bits) Υπολογιστής (24 bits) Class B 10 Δίκτυο (14 bits) Υπολογιστής (16 bits) Class C 110 Δίκτυο (21 bits) Υπολογιστής (8 bits) 1.44
Μάσκα Υποδικτύου (subnet mask) Καθορίζει το μέγεθος ενός υποδικτύου Υποδιαιρεί ένα υποδίκτυο σε μικρότερα Προσδιορίζει με ακρίβεια bit, ποια ψηφία μιας διεύθυνσης IP ανήκουν στο πεδίο Δικτύου και ποια στο πεδίο Η/Υ Έχει μέγεθος 32 bits και χωρίζεται σε οκτάδες όπως και η διεύθυνση IP Υπολογισμός Εμπειρικά Αφαιρώντας από την 255.255.255.255 το πλήθος των ip διευθύνσεων που επιθυμούμε να έχει το υποδίκτυο Με δυαδική αριθμητική (xor με το πλήθος των διευθύνσεων σε δυαδική μορφή) π.χ. για 32 διευθύνσεις 11111111.11111111.11111111.11111111 XOR 00000000.00000000.00000000.00100000 11111111.11111111.11111111.11011111 +1 (μάσκα 255.255.255.224) 1.45
Προσδιορισμός Υποδικτύου από τη Μάσκα Καθορισμός της πρώτης διεύθυνσης Λογικό AND της IP διεύθυνσης με τη μάσκα σε δυαδική αριθμητική π.χ. 10010110.10001100.10001101.10110101 (150.140.141.181) AND 11111111.11111111.11111111.11000000 (255.255.255.192) 10010110.10001100.10001101.10000000 (150.140.141.128) Διεύθυνση Υποδικτύου 1.46
Διαίρεση και Καθορισμός Υποδικτύων Προτιμούμε την υποδιαίρεση των υποδικτύων σε ομάδες με πλήθος διευθύνσεων ip που είναι δυνάμεις του δύο γιατί χρειάζεται μια μάσκα ένα gateway π.χ. Στο class C 150.140.141.0 μέχρι 150.140.141.255 θέλουμε να ορίσουμε ένα υποδίκτυο 16 ip διευθύνσεων, ένα 32 ip διευθύνσεων, ένα 64 ip διευθύνσεων, ένα 16 ip διευθύνσεων και ένα 128 ip διευθύνσεων, συνεχόμενα: Διεύθυνση Υποδικτύου Μάσκα Gateway 1ο υποδίκτυο 150.140.141.0 255.255.255.240 150.140.141.1 2ο υποδίκτυο 150.140.141.16 255.255.255.224 150.140.141.17 3ο υποδίκτυο 150.140.141.48 255.255.255.192 150.140.141.49 4ο υποδίκτυο 150.140.141.112 255.255.255.240 150.140.141.113 5ο υποδίκτυο 150.140.141.128 255.255.255.128 150.140.141.129 1.47
Διαίρεση και Καθορισμός Υποδικτύων Εάν το παράδειγμα διαμορφωνόταν ως εξής: Στο class C 150.140.141.0 μέχρι 150.140.141.255 θέλουμε να ορίσουμε ένα υποδίκτυο 24 ip διευθύνσεων, ένα 96 ip διευθύνσεων, ένα 8 ip διευθύνσεων και ένα 128 ip διευθύνσεων, συνεχόμενα: Διεύθυνση Υποδικτύου Μάσκα Gateway 1ο υποδίκτυο 150.140.141.0 150.140.141.16 255.255.255.240 255.255.255.248 150.140.141.1 150.140.141.17 2ο υποδίκτυο 150.140.141.24 150.140.141.88 255.255.255.192 255.255.255.224 150.140.141.25 150.140.141.89 3ο υποδίκτυο 150.140.141.120 255.255.255.248 150.140.141.121 4ο υποδίκτυο 150.140.141.128 255.255.255.128 150.140.141.129 1.48
Εικόνα 6.28: Ιεραρχία στη διευθυνσιοδότηση IPv4 1.49
Εικόνα 6.29: Αυτοδύναμο πακέτο IPv4 1.50
Εικόνα 6.30: Συμβολισμοί διευθύνσεων IPv6 1.51
Εικόνα 6.31: Ιεραρχία στη διευθυνσιοδότηση IPv6 1.52
Εικόνα 6.32: Αυτοδύναμο πακέτο IPv6 1.53
6.5 ΤΟ ΕΠIΠΕΔΟ ΣΥΝΔEΣΜΟΥ ΔΕΔΟΜEΝΩΝ Στο σύνολο πρωτοκόλλων TCP/IP δεν προβλέπεται κάποιο πρωτόκολλο για το επίπεδο συνδέσμου δεδομένων. Αυτό το επίπεδο είναι το σύνολο των δικτύων τα οποία απαρτίζουν το διασυνδεδεμένο δίκτυο (ή το Διαδίκτυο, εφόσον αναφερόμαστε σε αυτή την τάξη μεγέθους) όταν είναι συνδεδεμένα μεταξύ τους. Αυτά τα δίκτυα, είτε ενσύρματα είτε ασύρματα, είναι αποδέκτες υπηρεσιών, αλλά και παρέχουν υπηρεσίες στο επίπεδο δικτύου. Γι' αυτό και σήμερα στην αγορά υπάρχουν πολλά τυποποιημένα πρωτόκολλα. 1.54
Εικόνα 6.33: Επικοινωνία στο επίπεδο συνδέσμου δεδομένων 1.55
Εικόνα 6.34: Κόμβοι και σύνδεσμοι 1.56
Εικόνα 6.35: Ένα πλαίσιο σε δίκτυο τύπου Ethernet 1.57
Εικόνα 6.36: BSS και ESS 1.58
Εικόνα 6.37: Δίκτυο μέσω τηλεφώνου για την πρόσβαση στο Διαδίκτυο 1.59
Εικόνα 6.38: Δίκτυο τεχνολογίας ASDL σημείου προς σημείο 1.60
Εικόνα 6.39: Σύνδεση στο Διαδίκτυο μέσω υπηρεσίας καλωδιακής τηλεόρασης 1.61
Εικόνα 6.40: WiMax 1.62
6.6 ΤΟ ΦΥΣΙΚO ΕΠIΠΕΔΟ Η μελέτη του συνόλου πρωτοκόλλων TCP/IP δεν θα μπορούσε να είναι πλήρης χωρίς μια αναφορά στο φυσικό επίπεδο. Το φυσικό επίπεδο αναλαμβάνει να μεταφέρει τα bit που λαμβάνει από το επίπεδο συνδέσμου δεδομένων και να τα μετατρέπει σε ηλεκτρομαγνητικά σήματα που προορίζονται για τη μετάδοση. Αφού τα bit μετατραπούν σε σήματα, τα τελευταία διαβιβάζονται στο μέσο μετάδοσης. 1.63
Εικόνα 6.41: Η επικοινωνία στο φυσικό επίπεδο 1.64
Εικόνα 6.42: Σύγκριση αναλογικού και ψηφιακού σήματος 1.65
Εικόνα 6.43: Μετατροπή ψηφιακών δεδομένων σε ψηφιακά σήματα 1.66
Εικόνα 6.44: Μετατροπή αναλογικών δεδομένων σε ψηφιακά σήματα 1.67
Εικόνα 6.45: Μετατροπή ψηφιακών δεδομένων σε αναλογικό σήμα 1.68
Εικόνα 6.46: Μετατροπή αναλογικών δεδομένων σε αναλογικό σήμα 1.69
6.7 ΜEΣΑ ΜΕΤAΔΟΣΗΣ Τα ηλεκτρικά σήματα που δημιουργούνται στο φυσικό επίπεδο χρειάζονται κάποιο μέσο για να μεταδοθούν από το ένα σημείο στο άλλο. Στην πραγματικότητα, τα μέσα μετάδοσης βρίσκονται κάτω από το φυσικό επίπεδο (είτε σε πραγματικό υλικό επίπεδο, στην περίπτωση των καλωδίων, είτε σε λογικό επίπεδο, στην περίπτωση του αέρα) και ελέγχονται απευθείας από αυτό. Θα μπορούσαμε να πούμε ότι τα μέσα μετάδοσης ανήκουν στο επίπεδο «μηδέν». 1.70
Εικόνα 6.47: Μέσα μετάδοσης και φυσικό επίπεδο 1.71
Εικόνα 6.48: Κατευθυντικά μέσα μετάδοσης 1.72
Πλεονεκτήματα Τύπων Καλωδιώσεων Ευρεία χρήση Χαμηλό Κόστος Κατάλληλο για δίκτυα διανομής Πολύ υψηλές ταχύτητες Μεγάλες αποστάσεις Χωρίς απώλειες Κατάλληλο για δίκτυα κορμού 1.73
Κατηγορίες και Χαρακτηριστικά Καλωδιώσεων UTP Cat5 100BASE-T 100 MHz 60μ. * Cat5e 1000BASE-T 100 MHz 90μ.* Cat6 1000BASE-TX 250 MHz 100μ. * Cat6a 10GBASE 500 MHz 120μ. * Cat7 Δεν έχει καθοριστεί (~40GB) 600 MHz 120μ. * * Απόσταση για αξιόπιστο GB 1.74
Κατηγορίες Οπτικών Ινών
Εικόνα 6.49: Το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα 1.76
ΥΠΗΡΕΣΙΑ ΟΝΟΜΑΤΟΛΟΓΙΑΣ 1.77
Ονοματολογία Το Domain Name System ή DNS (Σύστημα Ονομάτων Τομέων ή Χώρων ή Περιοχών) είναι ένα ιεραρχικό σύστημα ονοματοδοσίας Αντιστοιχίζει ονόματα με διευθύνσεις IP, γιατί τα αλφαριθμητικά είναι περισσότερα αξιομνημόνευτα Σε μια διεύθυνση IP αντιστοιχίζεται ένα όνομα που είναι μοναδικό, δηλ. ξεχωριστό για τον κάθε υπολογιστή 1.78
Ονοματολογία Στην πράξη βολεύει η αντιστροφή του ονόματος και γι αυτό διαβάζουμε Επομένως diogenis.ceid.upatras.gr Οι χώροι ή περιοχές ή τομείς (domains) χωρίζονται σε επίπεδα, τις ζώνες (zones) Κάθε επίπεδο συχνά περιέχει κατώτερα επίπεδα Όλες οι ζώνες DNS είναι και ονόματα χώρου, αλλά το αντίστροφο δεν ισχύει πάντα Στην πράξη οι ζώνες DNS είναι τα φυσικά αρχεία που βρίσκονται σε εξυπηρετητές DNS και περιέχουν τις αντιστοιχίσεις ονομάτων και διευθύνσεων ή άλλων ονομάτων ως εγγραφές DNS ( DNS records ή resource records ). Δηλαδή οι ζώνες DNS είναι απλές βάσεις δεδομένων και οι εγγραφές DNS είναι τα δεδομένα.
Ονοματολογία Βασίζεται στις κλάσεις των υποδικτύων, δηλαδή ότι μένει σταθερό σε ένα τμήμα διευθύνσεων είναι το όνομα του χώρου 150.140.c.d upatras.gr Ότι αλλάζει συχνότερα είναι το όνομα του συστήματος Εάν βέβαια υπάρχουν υποδίκτυα ενδιάμεσων κλάσεων τότε μπορούν να τροποποιηθούν τα ονόματα από το διαχειριστή τους 150.140.141.181 upatras.gr ceid diogenis 1.80