Σχεδίαση Δικτύων Υπολογιστών Ενότητα 1: Εισαγωγή Άγγελος Μιχάλας Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής ΤΕ
Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. 2
Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3
Σκοποί ενότητας Σε αυτή την ενότητα πραγματοποιείται εισαγωγή στο μάθημα της «Σχεδίασης Δικτύων Υπολογιστών». 4
Περιεχόμενα ενότητας Εισαγωγή. Ο δρομολογητής ως υπολογηστής. Ο ρόλος του δρομολογητή. Προσδιορισμός του βέλτιστου μονοπατιού. Τα συστατικά ενός δρομολογητή. Βιβλιογραφία. 5
Εισαγωγή
Εισαγωγή (1/2) Τα δίκτυα υπολογιστών, και σε γενικότερο πλαίσιο το διαδίκτυο, επιτρέπει στους ανθρώπους να επικοινωνούν, να συνεργάζονται και να αλληλεπιδρούν με διαφορετικό τρόπο από ότι το έκαναν πριν. Χρησιμοποιούμε το δίκτυο με πολλούς τρόπους, συμπεριλαμβανομένου των εφαρμογών δικτύου, την IP τηλεφωνία, την συνδιάσκεψη μέσω βίντεο, τα διαδραστικά παιχνίδια, το ηλεκτρονικό εμπόριο, την εκπαίδευση και πολλά ακόμα. 7
Εισαγωγή (2/2) Στο κέντρο του δικτύου είναι ο δρομολογητής. Ο δρομολογητής συνδέει ένα δίκτυο με ένα άλλο δίκτυο. Επομένως, ο δρομολογητής είναι υπεύθυνος για την αποστολή των πακέτων μέσα στα διαφορετικά δίκτυα. Η αποτελεσματικότητα στην επικοινωνία μέσα στα εσωτερικά δίκτυα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την δυνατότητα των δρομολογητών να προωθούν τα πακέτα με το καλύτερα πιο αποδοτικό τρόπο. 8
Ο δρομολογητής ως υπολογηστής (1/5) Ηλεκτρονικοί Υπολογιστές που ειδικεύονται στην αποστολή πακέτων μέσω του δικτύου δεδομένων. Είναι υπεύθυνοι για τη διασύνδεση δικτύων επιλέγοντας την καλύτερη διαδρομή για ένα πακέτο ώστε να προωθηθεί μέχρι τον προορισμό τους. Οι δρομολογητές αποτελούν τον κορμό του δικτύου Γενικά έχουν 2 συνδέσεις: Σύνδεση WAN (Σύνδεση με ISP). Σύνδεση LAN. 9
Ο δρομολογητής ως υπολογηστής (2/5) Τα δεδομένα αποστέλλονται με τη μορφή πακέτων μεταξύ 2 τερματικών συσκευών. Οι δρομολογητές χρησιμοποιούνται για την προώθηση του κάθε πακέτου μέχρι τον προορισμό του. Εικόνα 1. Τοπολογία δικτύου. Πηγή: Διδάσκων (2015). 10
Ο δρομολογητής ως υπολογηστής (3/5) Ένας δρομολογητής χρησιμοποιεί τον πίνακα δρομολόγησης ως χάρτη ώστε να εντοπίσει το καλύτερο μονοπάτι για τη δρομολόγηση ενός πακέτου προς τον προορισμό. Εικόνα 2. Πίνακας δρομολόγησης. Πηγή: Διδάσκων (2015). 11
Ο δρομολογητής ως υπολογηστής (4/5) Ένας δρομολογητής θεωρείται ως λενας ολοκληρομένος υπολογιστής. Ο πρώτος δρομολογητής που δημιουργήθηκε, χρησιμοποιήθηκε στο (ARPANET)δίκτυο προηγμένων ερευνητικών προγραμμάτων οργανισμού, και ήταν ο (IMP)επεξεργαστής διεπαφής μηνύματος. Ο IMP ήταν ένας μίνι υπολογιστής Honeywell 316, αυτός ο υπολογιστής ενεργοποίησε το ARPANET στις 30 Αυγούστου το 1969. 12
Ο δρομολογητής ως υπολογηστής (5/5) Οι δρομολογητές έχουν πολλά κοινά στοιχεία στο λογισμικό και στον εξοπλισμό τους που συμπίπτουν με άλλων υπολογιστών όπως: Την κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU). Τη μνήμη τυχαίας προσπέλασης (RAM). Τη μνήμη μόνο για ανάγνωση (ROM). Το Λειτουργικό σύστημα. 13
Ο ρόλος του δρομολογητή (1/4) Ένας δρομολογητής συνδέει πολλαπλά δίκτυα. Αυτό σημαίνει ότι ο κάθε δρομολογητής έχει πολλαπλές διεπαφές που η κάθε μια ανήκει σε διαφορετικό δίκτυο IP. Όταν ο δρομολογητής λαμβάνει ένα IP πακέτο σε μια του διεπαφή, προσδιορίζει ποια διεπαφή θα χρησιμοποιήσει για να προωθηθεί το πακέτο στον προορισμό του. 14
Ο ρόλος του δρομολογητή (2/4) Η διεπαφή που χρησιμοποιεί ο δρομολογητής για να δρομολογήσει το πακέτο μπορεί να είναι το δίκτυο του τελικού προορισμού του πακέτου( το δίκτυο με την IP διεύθυνση προορισμού του πακέτου) ή μπορεί να είναι κάποιο δίκτυο που είναι συνδεδεμένο με έναν άλλο δρομολογητή που χρησιμοποιείται για να επικοινωνήσει με το δίκτυο προορισμού. 15
Ο ρόλος του δρομολογητή (3/4) Κάθε δίκτυο που επικοινωνεί με τον δρομολογητή απαιτείται να έχει ξεχωριστή διεπαφή. Αυτές οι διεπαφές συνδέουν ένα συνδυασμό από (LANs) τοπικά δίκτυα και (WANs) ευρυζωνικά δίκτυα. Τα τοπικά δίκτυα είναι συνήθως δίκτυα Ethernet που περιλαμβάνουν συσκευές όπως ηλεκτρονικοί υπολογιστές, εκτυπωτές και εξυπηρετητές. 16
Ο ρόλος του δρομολογητή (4/4) Τα ευρυζωνικά δίκτυα συνήθως χρησιμοποιούνται για να συνδέουν δίκτυα σε μεγάλες γεωγραφικές αποστάσεις. Για παράδειγμα, μια σύνδεση ευρυζωνικού δικτύου συνήθως συνδέει ένα τοπικό δίκτυο στο δίκτυο του(isp)παρόχου διαδικτυακών υπηρεσιών. 17
Προσδιορισμός του βέλτιστου μονοπατιού (1/6) Η βασική ευθύνη ενός δρομολογητή είναι να κατευθύνει τα πακέτα που προορίζονται για τοπικά και απομακρυσμένα δίκτυα με το να: Καθορίζει το καλύτερο μονοπάτι για να στείλει τα πακέτα. Προωθεί τα πακέτα στον προορισμό τους. 18
Προσδιορισμός του βέλτιστου μονοπατιού (2/6) Ο δρομολογητής χρησιμοποιεί τον πίνακα δρομολόγησης του για να προσδιορίσει το καλύτερο μονοπάτι για να προωθήσει τα πακέτα. Όταν ο δρομολογητής λαμβάνει ένα πακέτο εξετάζει την IP διεύθυνση προορισμού του πακέτου και ψάχνει για το καλύτερο ταίριασμα της διεύθυνσης IP προορισμού του πακέτου με μια διεύθυνση δικτύου του πίνακα δρομολόγησης. 19
Προσδιορισμός του βέλτιστου μονοπατιού (3/6) Εικόνα 3. Προσδιορισμός του βέλτιστου μονοπατιού. Πηγή: Διδάσκων (2015). 20
Προσδιορισμός του βέλτιστου μονοπατιού (4/6) Ο πίνακας δρομολόγησης ακόμα περιέχει την διεπαφή που θα χρησιμοποιηθεί για να προωθηθεί το πακέτο. Όταν βρεθεί το καλύτερο ταίριασμα, ο δρομολογητής ενθυλακώνει το IP πακέτο στο πλαίσιο συνδέσμου δεδομένων της εξερχόμενης διεπαφής ή της διεπαφής εξόδου, και εν συνεχεία το πακέτο προωθείται στον προορισμό του. 21
Προσδιορισμός του βέλτιστου μονοπατιού (5/6) Είναι πολύ πιθανόν ο δρομολογητής θα λάβει ένα πακέτο που θα είναι ενθυλακωμένο σε ένα τύπο πλαισίου συνδέσμου δεδομένων, όπως ένα πλαίσιο Ethernet και όταν προωθηθεί το πακέτο, ο δρομολογητής να το ενθυλακώσει σε διαφορετικό τύπο πλαισίου συνδέσμου δεδομένων, όπως σε τύπο (PPP) πρωτόκολλο σημείου σε σημείο. Η ενθυλάκωση του συνδέσμου δεδομένων εξαρτάται από το τύπο της διεπαφής του δρομολογητή και το είδος του μέσου που το συνδέει. 22
Προσδιορισμός του βέλτιστου μονοπατιού (6/6) Οι διαφορετικές τεχνολογίες συνδέσμων δεδομένων που συνδέεται ένας δρομολογητής μπορεί να είναι τεχνολογίες τοπικού δικτύου όπως Ethernet και συνδέσεις σειριακών ευρυζωνικών δικτύων, όπως η T1 σύνδεση που χρησιμοποιεί PPP, μεταγωγή πλαισίου(frame Relay) και (ΑΤΜ)ασύγχρονό τρόπο μεταφοράς. Τα πρωτόκολλα στατικής και δυναμικής δρομολόγησης χρησιμοποιούνται από τους δρομολογητές για να ενημερωθούν για απομακρυσμένα δίκτυα και για να φτιάξουν τους δικούς τους πίνακες δρομολόγησης. 23
Τα συστατικά ενός δρομολογητή (1/12) CPU (Κεντρική μονάδα επεξεργασίας). Η κεντρική μονάδα επεξεργασίας εκτελεί οδηγίες λειτουργικού συστήματος, όπως η αρχειοθέτηση συστήματος, δρομολόγηση λειτουργιών και εναλλαγή λειτουργιών. RAM (Μνήμη τυχαίας προσπέλασης). Η μνήμη τυχαίας προσπέλασης (RAM) αποθηκεύει τις οδηγίες και τα δεδομένα που χρειάζεται να εκτελεστούν από την κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU). 24
Τα συστατικά ενός δρομολογητή (2/12) RAM (Μνήμη τυχαίας προσπέλασης) - Συνέχεια. Η RAM συνήθως αποθηκεύει αυτά τα στοιχεία: 1. Λειτουργικό σύστημα: To Cisco IOS(λειτουργικό σύστημα εσωτερικού δικτύου) αντιγράφεται στην RAM κατά την εκκίνηση. 2. Τρέχων αρχείο διαμόρφωσης: Αυτό είναι το αρχείο διαμόρφωσης που αποθηκεύει τις εντολές διαμόρφωσης που χρησιμοποιεί αυτή την στιγμή ο δρομολογητής του IOS. Με ελάχιστες εξαιρέσεις, όλες οι εντολές που ρυθμίζουν τον δρομολογητή είναι αποθηκευμένες στο τρέχων αρχείο διαμόρφωσης, γνωστό ως τρέχουσα διαμόρφωση(runningconfig). 25
Τα συστατικά ενός δρομολογητή (3/12) RAM (Μνήμη τυχαίας προσπέλασης) - Συνέχεια. Η RAM συνήθως αποθηκεύει αυτά τα στοιχεία: 3. Πίνακας δρομολόγησης IP: Αυτό το αρχείο αποθηκεύει πληροφορίες για τα άμεσα συνδεδεμένα και απομακρυσμένα δίκτυα. Χρησιμοποιείται για τον καθορισμό του καλύτερου μονοπατιού για την προώθηση του πακέτου. 4. Μνήμη ARP(πρωτοκόλλου επίλυσης διευθύνσεων) Cache: Αυτή η μνήμη Cache περιλαμβάνει την διεύθυνση IPv4 για τις χαρτογραφήσεις της διεύθυνσης MAC, και είναι παρόμοια με την μνήμη ARP cache σε ηλεκτρονικό υπολογιστή. Η μνήμη ARP cache χρησιμοποιείται σε δρομολογητές που έχουν διεπαφές τοπικού δικτύου όπως οι διεπαφές Ethernet. 26
Τα συστατικά ενός δρομολογητή (4/12) RAM (Μνήμη τυχαίας προσπέλασης) - Συνέχεια. Η RAM συνήθως αποθηκεύει αυτά τα στοιχεία: 5. Ενδιάμεση μνήμη πακέτου: Τα πακέτα αποθηκεύονται προσωρινά στην ενδιάμεση μνήμη όταν έρχονται σε μια διεπαφή ή πριν την έξοδο τους από την διεπαφή. Η RAM είναι ευμετάβλητη-πτητική μνήμη και χάνει το περιεχόμενο της όταν ο δρομολογητής κλείνει ή κάνει επανεκκίνηση. Όμως, ο δρομολογητής ακόμα περιλαμβάνει και μόνιμές αποθηκευτικές περιοχές, όπως η μνήμη ROM,η μνήμη flash και η μνήμη NVRAM. 27
Τα συστατικά ενός δρομολογητή (5/12) ROM (Μνήμη μόνο για ανάγνωση). Η ROM είναι μια μορφή μόνιμης-μη πτητικής αποθήκευσης. Οι συσκευές CISCO χρησιμοποιούν την ROM για να αποθηκεύσουν: Τις εντολές bootstrap(διαδικασία φόρτωσης ενός συνόλου εντολών όταν ο υπολογιστής κάνει εκκίνηση). Το βασικό διαγνωστικό Λογισμικό. Την scaled-down εκδοχή του IOS. 28
Τα συστατικά ενός δρομολογητή (6/12) ROM (Μνήμη μόνο για ανάγνωση) - Συνέχεια. Η μνήμη ROM χρησιμοποιεί το λογισμικό firmware. Αυτό το λογισμικό είναι ενσωματωμένο στο ολοκληρωμένο κύκλωμα. Το Firmware περιέχει το είδος του λογισμικό που κανονικά δεν χρειάζεται να τροποποιηθεί ή να αναβαθμιστεί, όπως είναι με τις εντολές εκκίνησης. Η μνήμη ROM δεν χάνει το περιεχόμενο της όταν ο δρομολογητής απενεργοποιείται ή κάνει επανεκκίνηση. 29
Τα συστατικά ενός δρομολογητή Μνήμη flash. (7/12) Η μνήμη flash είναι μια αμετάβλητη-μη πτητική μνήμη υπολογιστών που μπορεί να αποθηκεύει και να διαγράφει δεδομένα ηλεκτρονικά. Η μνήμη flash χρησιμοποιείται για μόνιμη αποθήκευση και στο λειτουργικό σύστημα εσωτερικού δικτύου της Cisco, το Cisco IOS. 30
Τα συστατικά ενός δρομολογητή Μνήμη flash - Συνέχεια. (8/12) Στα περισσότερα μοντέλα δρομολογητών της Cisco, το λειτουργικό σύστημά εσωτερικού δικτύου (IOS) είναι αποθηκευμένο μόνιμα στην μνήμη flash και αντιγράφεται στην RAM κατά την διαδικασία της εκκίνησης, που εκτελείτε από την CPU. Η μνήμη flash δεν χάνει το περιεχόμενο της όταν ο δρομολογητής αποσυνδέεται ή κάνει επανεκκίνηση. 31
Τα συστατικά ενός δρομολογητή NVRAM. (9/12) H NVRAM (μη πτητική-μόνιμη μνήμη RAM) δεν χάνει τα δεδομένα της όταν απενεργοποιείται. Αυτό έρχεται σε αντίθεση με την μορφή αποθήκευσης των περισσότερων μνημών RAM, όπως η DRAM, που χρειάζεται συνεχόμενη ενέργεια για να διατηρήσει τα αποθηκευμένα δεδομένα της. 32
Τα συστατικά ενός δρομολογητή NVRAM - Συνέχεια. (10/12) Η μνήμη NVRAM χρησιμοποιείται από το λειτουργικό σύστημα εσωτερικού δικτύου της Cisco,το Cisco IOS, ως μόνιμη-μη πτητική μνήμη αποθήκευσης για το αρχείο διαμόρφωσης εκκίνησης (startup-config). Όλες οι αλλαγές από της διαμόρφωση αποθηκεύονται στο τρέχον αρχείο διαμόρφωσης που βρίσκεται στην RAM, και με ελάχιστες εξαιρέσεις, οι αλλαγές αυτές εφαρμόζονται αμέσως από το λειτουργικό σύστημα εσωτερικού δικτύου (IOS). 33
Τα συστατικά ενός δρομολογητή NVRAM - Συνέχεια. (11/12) Για να αποθηκέψουμε αυτές οι αλλαγές,για την είμαστε καλυμμένοι στην πιθανότητα που ο δρομολογητής κάνει επανεκκίνηση ή αποσυνδεθεί, πρέπει να έχουμε αντιγραφεί το τρέχων αρχείο διαμόρφωσης (runninqconfig) στην μνήμη NVRAM, εκεί αποθηκεύεται ως αρχείο διαμόρφωσης εκκίνησης (startup-config). Η μνήμη NVRAM διατηρεί το περιεχόμενο της ακόμα και αν ο δρομολογητής κάνει επανεκκίνηση ή αποσυνδεθεί. 34
Τα συστατικά ενός δρομολογητή (12/12) Εικόνα 4. Τα συστατικά ενός δρομολογητή. Πηγή: Διδάσκων (2015). 35
Σημείωμα Αναφοράς Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Άγγελος Μιχάλας. «Σχεδίαση Δικτύων Υπολογιστών». Έκδοση: 1.0. Κοζάνη 2015. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: 36
Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/ Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. 37
Διατήρηση Σημειωμάτων Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. 38
Βιβλιογραφία 1. CCNA αυτοδιδασκαλία: Διασύνδεση συσκευών δικτύου CISCO (ICND), (Επιμέλεια) Steve Mc Querry. 2. Σχεδιασμός και υλοποίηση δικτύων, Σπύρος Δ. Αρσένης. 3. Δίκτυα υπολογιστών: Μία προσέγγιση από τη σκοπιά των συστημάτων, larry L. Peterson, Bruce S. Davie. 4. Διαδίκτυα με TCP/IP: Αρχές, πρωτόκολλα και αρχιτεκτονικές, Douglas E. Comer. 39
Τέλος Ενότητας