Πανεπιστήµιο Αθηνών Τµήµα Πληροφορικής και Τηλεπικοινωνιών ίκτυα Επικοινωνιών Λάζαρος Μεράκος
Περιεχόµενα Εισαγωγή2 ίκτυα πρόσβασης Φυσικά µέσα Καθυστερήσεις στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων Θεώρηση των δικτύων σε στρώµατα/επίπεδα
Εισαγωγή3 ίκτυα πρόσβασης και φυσικά µέσα Ε: Πώς συνδέονται οι τερµατικές συσκευές µε τους δροµολογητές; ίκτυα πρόσβασης στα σπίτια σε Ιδρύµατα, εταιρείες Κινητά δίκτυα πρόσβασης Θυµηθείτε: Εύρος ζώνης (bits per second) των δικτύων πρόσβασης? Μοιραζόµενο ή αποκλειστικό?
Εισαγωγή4 Οικιακάδίκτυαπρόσβασης: πρόσβαση σηµείου προς σηµείο Dialup µέσω modem µέχρι 56Kbps απευθείας πρόσβαση σε δροµολογητή (ιδεατά) ISDN: integrated services digital network: 128Kbps ψηφιακή σύνδεση µέχρι το δροµολογητή ADSL: asymmetric digital subscriber line µέχρι 1 Mbps home-to-router (4-50KHz) µέχρι 8 Mbps router-to-home (50KHZ-1MHz) An ordinary POTS (0-4KHz) Ανάπτυξη ADSL
Εισαγωγή5 Οικιακά δίκτυα : καλωδιακά modems HFC: hybrid fiber coax Ασύµµετρο: µέχρι 10Mbps upstream, 1 Mbps downstream Ένα δίκτυο καλωδίων και οπτικών ινών συνδέει τα σπίτια µε τον δροµολογητή του ISP Μοιράζεται η πρόσβαση στο δροµολογητή µεταξύ των σπιτιών Θέµατα: συµφόρηση, διαστασιοποίηση Ανάπτυξη: διαθέσιµα απότις καλωδιακές εταιρείες
Εισαγωγή6 ίκτυα πρόσβασης σε Ιδρύµατα/εταιρίες: Τοπικά δίκτυα πρόσβασης Τα τοπικά δίκτυα (Local Area Networks- LANs) συνδέουν τις τερµατικές συσκευές µε έναδροµολογητή Ethernet: Μοιραζόµενο ή αποκλειστικό καλώδιο συνδέει τερµατικά συστήµατα µεταξύ τους και µε τον δροµολογητή 10 Mbs, 100Mbps, Gigabit Ethernet Ανάπτυξη: Ιδρύµατα, εταιρίες, σύντοµα και σε σπίτια?
Ethernet Εισαγωγή7 Shared Ethernet: Hubs and Collisions (συγκρούσεις) H/Y συνδεδεµένοι σε ένα Hub. Πολλά συνδεδεµένα Hubs. Τα Hubs επαναµεταδίδουν πακέτα προς όλες τις θυρίδες (ζεύξεις). Κάθε σύνολο διασυνδεδεµένων Hubs ορίζει ένα πεδίο συγκρούσεως (collision domain).
ιευθύνσεις Εισαγωγή8 Όνοµα computer: Τse ικτυακή διεύθυνση υπολογιστή: 124 (λογική τοποθεσία) Ethernet διεύθυνση υπολογιστή: y (, LAN, MAC ) Ορίζεται από adapter (card) - static 6-byte / 48-bit (2 48 δυνατές) - εκαεξαδική περιγραφή: F8-37-B1-1F-33-BA Πρώτα 24 bits ορίζονται από IEEE / Τελευταία 24 bits από τον κατασκευαστή Πλεονεκτήµατα των φυσικών διευθύνσεων: Ανεξάρτητες από διευθύνσεις επιπέδου δικτύου (e.g., IP) εν επηρεάζονται από αλλαγή δικτυακής διεύθυνσης λόγω µετακίνησης. Περιορίζει στην διεπαφή την επεξεργασία των διερχοµένων πακέτων, χωρίς να µεταφέρονται / επεξεργάζονται από τις διεργασίες επιπέδου δικτύου.
Πρωτόκολλα εύρεσης διευθύνσεων Εισαγωγή9 Ethernet ιεύθυνσης: Η πηγή γνωρίζει την δικτυακή διεύθυνση του προορισµού. Απαιτείται γνώση και της Ethernet διεύθυνσης. ARP: Υπολογιστής Α (37) επιθυµεί να µεταδώσει στον Β (124). Α εξετάζει αν το αρχείο του List περιέχει την Ethernet διεύθυνση του Β (124) Αν όχι, στέλνει broadcast µήνυµα ζητώντας από τον 124 να του στείλει την Ethernet διεύθυνση. ικτυακής ιεύθυνσης: Υπολογιστές χωρίς δίσκο δεν γνωρίζουν δικτυακές διευθύνσεις Ο Network Server παρέχει τις δικτυακές διευθύνσεις όταν οι υπολογιστές εκκινούν µε βάση τις Ethernet διευθύνσεις τους (Reverse-ARP, RARP).
Ethernet Εισαγωγή 10 ιασύνδεση ικτύων - Ethernet µε Switches Ενα Ethernet υποστηρίζει ένα µέγιστο αριθµό χρηστών και καλύπτει µια µέγιστη απόσταση. Ανάγκη για υλοποίηση και διασύνδεση πολλαπλών Ethernet δικτύων µέσω switches/routers. Switched Ethernet Προώθηση πακέτων µε βάση τις Ethernet διευθύνσεις. Απλή αντιγραφή πακέτων. Υψηλότερο throughput από αντίστοιχο shared
Ethernet Εισαγωγή 11 ιασύνδεση ικτύων - Ethernet µε Switches (2) Μετάδοση από S (Ethernet E 1 ) προς D (Ethernet E 2 ) S στέλνει [s, d Data] πακέτο στο Ethernet E 1. Switch Β συµβουλεύεται µια λίστα: ΠροωθείτοπακέτοστηνζεύξηπροςτοEthernet του D. Αν δεν γνωρίζει, προωθεί το πακέτο προς όλες τις άλλες ζεύξεις. Η λίστα ενηµερώνεται µε βάση την Ethernet διεύθυνση της πηγής των πακέτων που διέρχονται από το switch.
Ethernet ιασύνδεση ικτύων - Ethernet µε Switches (3) Switched Ethernet µε βρόγχους Αύξηση της αξιοπιστίας switched Ethernet µέσω βρόγχων. Εάν δεν υπάρχει η διεύθυνση στη λίστα το πακέτο περνά στο άλλο ethernet και µετά πάλι πίσω,.. (loops) Εισαγωγή 12
Ethernet Εισαγωγή 13 ιασύνδεση ικτύων - Ethernet µε Switches (4) Spanning Tree Αλγόριθµος Switched Ethernet µε βρόγχουςθαµετέφεραν πακέτα επ άπειρον πάνω από βρόγχους. Πακέτα αντιγράφονται από Ε 1 σε Ε 2 από Switch B και απο Ε 2 σε Ε 1 από switch F, Ο spanning tree αλγόριθµος προσδιορίζει ένα δένδρο (γράφηµα χωρίςβρόγχους) διασύνδεσης όλων των Ethernet. Πακέτα αντιγράφονται µόνο από switches που ανήκουν στο δένδρο.
ιασύνδεση δικτύων: Ethernet µε routers Εισαγωγή 14 Προώθηση πακέτων µε βάση τις δικτυακές διευθύνσεις. Τροποποίηση των Ethernet διευθύνσεων των πακέτων.
ιασύνδεση δικτύων: Ethernet µε routers Εισαγωγή 15 Μετάδοση πακέτου από S σε D s: Ethernet διεύθυνση του S rk: Ethernet διεύθυνση του R στο Ethernet Εk (S γνωρίζει r1 µέσω του ARP) S,D: ικτυακές διευθύνσεις της πηγής και προορισµού. ( πηγή γνωρίζει Sµέσω π.χ. RARP) ( πηγή γνωρίζει Dµέσω υπηρεσίας δικτύου). Πηγή στέλνει πακέτο [s, r1 S, D data] Router R προσδιορίζει µε χρήση πινάκων Ethernet του προορισµού (D Ε2 ) (µέσω αλγορίθµων δροµολόγησης) Ethernet διεύθυνση προορισµού ( D d) (µέσω ARP) Router R στέλνει [r2, d S, D data] χρησιµοποιώντας την Ethernet διεύθυνση του στο Ε2 (r2).
ιασύνδεση δικτύων: η συνολικήεικόνα Εισαγωγή 16
ιασύνδεση δικτύων: η συνολικήεικόνα Εισαγωγή 17 Κάθε ζεύξη υπολογιστή µε δίκτυο έχει διαφορετική δικτυακή διεύθυνση. Κάθε ζεύξη υπολογιστή µε Ethernet έχει διαφορετική Ethernet διεύθυνση. S γνωρίζει την δικτυακή διεύθυνσή του (π.χ. Μέσω RARP) (S) S γνωρίζει την Ethernet διεύθυνσή του (π.χ. Μέσω ARP) (s) S γνωρίζει την Ethernet διεύθυνση του δροµολογητή του (π.χ. Μέσω ARP) (r 1 ) S γνωρίζει D από το παρελθόν ή µέσω του Domain name Server (DNS) (εξηγείται αργότερα) S στέλνει [s, r 1 S, D data] R γνωρίζει µέσω πινάκων δροµολόγησης την επόµενη ζεύξη (r 2 ) (r 2 ) δεν είναι Ethernet διεύθυνση R στέλνει [S, D data] V γνωρίζει µέσω πίνακα δροµολόγησης την επόµενη ζεύξη V στέλνει [S, D data] πάνω στην επόµενη ζεύξη W γνωρίζει ότι D ανήκει στο προκείµενο Ethernet στο οποίο έχει διεύθυνση w (ή συνδέεται µε τηνζεύξηw) W βρίσκει την Ethernet διεύθυνση d στην λίστα του (µέσω ARP) W στέλνει [w, d S, D data]
Εισαγωγή 18 Ασύρµατα δίκτυα πρόσβασης Μοιραζόµενο ασύρµατο δίκτυο πρόσβασης, συνδέει τερµατικές συσκευές µε τον δροµολογητή wireless LANs: Το ράδιο φάσµα αντικαθιστά τα σύρµατα 802.11.χ έχει ραγδαία ανάπτυξη τα τελευταία χρόνια (ταχύτητες έως και 50 Mbps) wider-area wireless access UMTS: 2Mbps router base station Mobile/wireless hosts
Φυσικά µέσα Εισαγωγή 19 Φυσική γραµµή: µετάδοση των δεδοµένων σε bits διαδίδεται πάνω από τη γραµµή Κατευθυνόµενα µέσα: Τα σήµατα διαδίδονται σε στέρεα µέσα: χαλκός, πτική ίνα Μη κατευθυνόµενα µέσα: Τα σήµατα διαδίδονται ελεύθερα στο χώρο: ραδιοκύµατα Συστρεµµένο ζεύγος Category 3: τυπικά τηλεφωνικά καλώδια, 10 Mbps ethernet Category 5 TP: 100Mbps ethernet
Εισαγωγή 20 Φυσικό µέσο: οµοαξονικό καλώδιο, οπτική ίνα Οµοαξονικό καλώδιο: Χάλκινος αγωγός (φορέας σήµατος) µέσα σε προστατευτικό περίβληµα baseband: ένα κανάλι στο καλώδιο broadband: πολλαπλά κανάλια στο καλώδιο ι-κατευθυντικό Εκτεταµένη χρήση σε 10Mbs Ethernet Καλώδιο οπτικής ίνας: Ίνα από γυαλί που µεταφέρει παλµούς φωτός Χαµηλή εξασθένιση Επίτευξη υψηλών ταχυτήτων: Gigabit Ethernet Πολύ χαµηλός ρυθµός λαθών
Εισαγωγή 21 Φυσικό µέσο: ραδιοκύµατα Το σήµα µεταφέρεται στο ηλεκτροµαγνητικό φάσµα εν υπάρχει φυσικό «σύρµα» Χρησιµοποιείται σε τοπικά δίκτυα αλλά και σε δίκτυα πιο ευρείας περιοχής στην περίπτωση των δικτύων κινητών επικοινωνιών Επιδράσεις στη µετάδοση: ανάκλαση Εµπόδια από αντικείµενα Παρεµβολές Τύποι ράδιο ζέυξεων: µικροκυµατικές Π.χ.,. κανάλια µέχρι τα 45 Mbps LAN (e.g., 802.11.b) 10 Mbps wide-area (e.g., κυψελωτά) UMTS, 2 Mbps δορυφορικά Κανάλια µέχρι τα 50Mbps (ή πολλαπλά µικρότερα) 270 msec end-end delay γεωστατικοί και LEOS
Εισαγωγή 22 Καθυστέρηση στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων Τα πακέτα υφίστανται µια καθυστέρηση στο µονοπάτι από τη µία άκρη µέχρι την άλλη Τέσσερις πηγές καθυστέρησης σε κάθε βήµα transmission A Κοµβική καθυστέρηση επεξεργασίας: Έλεγχος για λάθη στα bits Καθορισµός γραµµής εξόδου Καθυστέρηση αναµονής Χρόνος αναµονής στη γραµµή εξόδου για τη µετάδοση Εξαρτάται από το επίπεδο συµφόρησης στο δροµολογητή propagation B nodal processing queueing
Καθυστέρηση στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων Καθυστέρηση µετάδοσης: R=link bandwidth (bps) L=packet length (bits) Χρόνος αποστολής των bits στη γραµµή = L/R Καθυστέρηση διάδοσης: d = length of link (m) s = propagation speed in medium (π.χ., 2x10 8 m/sec) propagation delay = d/s A transmission Σηµείωση: Τα s&r είναι πολύ διαφορετικές ποσότητες propagation B nodal processing queueing Εισαγωγή 23
Εισαγωγή 24 Θεωρία ουρών R=link bandwidth (bps) L=packet length (bits) a=average packet arrival rate traffic intensity = La/R
Επίπεδα πρωτοκόλλων Εισαγωγή 25 Τα δίκτυα είναι πολύπλοκα Πολλά κοµµάτια: Hosts (τερµατικές συσκευές) Routers (δροµολογητές) Γραµµές διαφόρων µέσων Applications (εφαρµογές) Protocols (πρωτόκολλα) hardware, software (υλικό, λογισµικό) Ερώτηση: Πώς µπορούµε να οργανώσουµε τη δοµή τωνδικτύων Ήέστω τη συζήτηση µας για τα δίκτυα
Οργάνωση ενός αεροπορικού ταξιδιού Εισαγωγή 26 ticket (purchase) ticket (complain) baggage (check) baggage (claim) gates (load) runway takeoff gates (unload) runway landing airplane routing airplane routing airplane routing Μια σειρά βηµάτων
Εισαγωγή 27 Οργάνωση ενός αεροπορικού ταξιδιού ticket (purchase) baggage (check) gates (load) runway takeoff airplane routing ticket (complain) baggage (claim) gates (unload) runway landing airplane routing airplane routing Επίπεδα: Κάθε επίπεδο υλοποιεί µια υπηρεσία Εκτελώντας εσωτερικές λειτουργίες στο ίδιο επίπεδο Βασίζεται σε υπηρεσίες των πιο κάτω επιπέδων
Οργάνωση ενός αεροπορικού ταξιδιού: Υπηρεσίες Εισαγωγή 28 Counter-to-counter delivery of person+bags baggage-claim-to-baggage-claim delivery people transfer: loading gate to arrival gate runway-to-runway delivery of plane airplane routing from source to destination
Εισαγωγή 29 Κατανεµηµένη υλοποίηση της λειτουργίας σε επίπεδα Departing airport ticket (purchase) baggage (check) gates (load) runway takeoff airplane routing ticket (complain) baggage (claim) gates (unload) runway landing airplane routing arriving airport intermediate air traffic sites airplane routing airplane routing airplane routing
Γιατί χρησιµοποιούµε επίπεδα? Εισαγωγή 30 Όταν µελετάµε πολύπλοκασυστήµατα: Σαφής δοµή επιτρέπει τον προσδιορισµό και τις σχέσεις µεταξύ των κοµµατιών του συστήµατος µοντέλο αναφοράς σε επίπεδα κατάλληλο για συζήτηση Τµηµατοποίηση διευκολύνει τη συντήρηση (maintenance) και την αναβάθµιση (upgrade) του συστήµατος Αλλαγή στην υλοποίηση µιας υπηρεσίας ενός επιπέδου είναι µια διάφανη διαδικασία σε σχέση µε το υπόλοιπο σύστηµα Π.χ., η αλλαγή του τρόπου ελέγχου στις θύρες δεν επηρεάζει το υπόλοιπο σύστηµα
Η στοίβα πρωτοκόλλου στο διαδίκτυο Εισαγωγή 31 application: υποστήριξη δικτυακών υπηρεσίων ftp, smtp, http transport: µεταφορά δεδοµένων από τερµατική συσκευή σε τερµατική συσκευή tcp, udp network: δροµολόγηση datagrams από την πηγή στον προορισµό ip, routing protocols link: µεταφορά δεδοµένων µεταξύ γειτονικών δικτυακών στοιχείων ppp, ethernet : µετάδοση bits πάνω από το φυσικό µέσο application transport network link
Εισαγωγή 32 Επίπεδα: Λογική επικοινωνία Σε κάθε επίπεδο: Κατανεµηµένες οντότητες υλοποιούν συγκεκριµένες λειτουργίες εκτελώντας συγκεκριµένες ενέργειες και ανταλλάσσοντας µηνύµατα µε οµότιµες οντότητες application transport network link application transport network link application transport network link network link application transport network link
Εισαγωγή 33 Επίπεδα: Λογική επικοινωνία Π.χ.,: transport Παίρνουµε ταδεδοµένα από την εφαρµογή προσθέτουµε τη διεύθυνση, προσθέτουµε πληροφορία ελέγχου ορθότητας και φτιάχνουµε ένα πακέτο Στέλνουµε τοπακέτο Περιµένουµε γιαack αναλογία: ταχυδροµική υπηρεσία data application transport network link application transport network link data ack application transport network link network link data application transport network link
Εισαγωγή 34 Επίπεδα : Φυσική επικοινωνία data application transport network link application transport network link application transport network link network link data application transport network link
Επίπεδα πρωτοκόλλων και δεδοµένα Εισαγωγή 35 Κάθε επίπεδο λαµβάνει δεδοµένα από το πιο πάνω επίπεδο Προσθέτει επικεφαλίδα µε πληροφορίες και δηµιουργεί µια νέα µονάδα δεδοµένων Στέλνει τη νέα µονάδα δεδοµένων στο πιο κάτω επίπεδο 3PDU source destination Hl Ht HnHt HnHt M M M M application transport network link application transport network link Hl Ht HnHt HnHt M M M M message segment datagram frame
Λειτουργίες επιπέδων Εισαγωγή 36 Σε ένα δίκτυο υπολογιστών κάθε επίπεδο µπορεί να εκτελεί µία ή περισσότερες εργασίες: Error control: µετατρέπει το λογικό κανάλι µεταξύ των οµότιµων επιπέδων πιο αξιόπιστο Flow control: αποφεύγει να κατακλύσει µια πιο αργή οµότιµη οντότητα µε πακέτα Segmentation and reassembly: Χωρισµός των µεγάλων πακέτων σε µικρότερα και επανασύσταση τους Multiplexing: Επιτρέπει πολλές συνεδρίες (sessions) να µοιράζονται µια µοναδική χαµηλότερου επιπέδου σύνδεση Connection setup: ιαδικασία χειραψίας µε µία οµότιµη οντότητα Πιθανά προβλήµατα που µπορεί να προκύψουν από την αρχιτεκτονική επιπέδων;
Εισαγωγή 37 Το πρότυπο OSI Open System Interconnection Reference Model OSI ISO International Organization for Standardization
Communication in the OSI reference model Εισαγωγή 38
Εισαγωγή 39 ATM: Asynchronous Transfer Mode δίκτυα Internet: Το πρότυπο στα δίκτυα υπολογιστών 1980 s: Οι τηλεπικοινωνιακοί οργανισµοί ανέπτυξαν το ανταγωνιστικό πρότυπο του ATM για τη µετάδοση φωνής και δεδοµένων σε υψηλές ταχύτητες: Οργανισµοί προτυποποίησης: ATM Forum ITU Αρχές λειτουργίας του ATM : Μικρά πακέτα (48 byte payload, 5 byte header) σταθερού µεγέθους Γρήγορη µεταγωγή Μικρό µέγεθος κατάλληλο για τη φωνή virtual-circuit network
Εισαγωγή 40 ATM layers ATM Adaptation Layer (AAL): interface to upper layers end-system segmentation/reasse mbly ATM Layer: cell switching Physical application TCP/UDP IP AAL ATM application TCP/UDP IP AAL ATM Where s the application? ATM: lower layer functionality only IP-over ATM: later application TCP/UDP IP AAL ATM ATM application TCP/UDP IP AAL ATM