ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΙI & III MΟΝΤΕΛΑ ΑΝΑΦΟΡΑΣ, ΕΙΔΗ ΔΙΚΤΥΩΝ, ΔΙΚΤΥΑΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ

Τ.Ε.Ι. ΔΥΤΙΚΗΣ ΕΛΛΑΔΑΣ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΙI & III MΟΝΤΕΛΑ ΑΝΑΦΟΡΑΣ, ΕΙΔΗ ΔΙΚΤΥΩΝ, ΔΙΚΤΥΑΚΕΣ ΣΥΣΚΕΥΕΣ Γ. Τζήμας, Επίκ. Καθηγητής Μάθημα: ΔΙΚΤΥΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ - ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ

Στόχος της Διάλεξης Να αποκτηθεί εξοικείωση με το μοντέλο αναφοράς OSI. Να αποκτηθεί εξοικείωση με το μοντέλο αναφοράς TCP/IP. Να γίνει μία σύγκριση μεταξύ των δύο. Να παρουσιαστούν θα θετικά και αρνητικά του κάθε μοντέλου. Να παρουσιαστούν μερικά παραδείγματα δικτύων. Να παρουσιαστούν μερικές Δικτυακές Συσκευές. 2

Το Μοντέλο Αναφοράς ISO OSI (Open Systems Interconnection) Τα πρωτόκολλά του πλέον χρησιμοποιούνται σπάνια παρόλα αυτά το μοντέλο εξακολουθεί να είναι αρκετά γενικό και έγκυρο. Βασίζεται σε μία πρόταση που αναπτύχθηκε από το Διεθνή Οργανισμό Τυποποίησης (ISO) - 1983. Αναθεωρήθηκε το 1995. Ονομάστηκε έτσι γιατί ασχολείται με τη διασύνδεση συστημάτων που είναι ανοιχτά στην επικοινωνία με άλλα συστήματα. 3

Το Μοντέλο Αναφοράς OSI (2/3) Έχει επτά επίπεδα. Βασικές αρχές: Όπου χρειάζεται μία διαφορετική λογική αφαίρεση πρέπει να δημιουργείται ένα επίπεδο. Κάθε επίπεδο πρέπει να εκτελεί μία σαφώς καθορισμένη λειτουργία. Η λειτουργία κάθε επιπέδου πρέπει να επιλέγεται με στόχο τον καθορισμό διεθνώς τυποποιημένων πρωτοκόλλων. Τα σύνορα των επιπέδων πρέπει να επιλέγονται έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται η ροή πληροφοριών μέσω της διασύνδεσης των επιπέδων. Το πλήθος των επιπέδων πρέπει να είναι αρκετά μεγάλο έτσι ώστε να μη χρειάζεται να ανακατεύονται χωρίς λόγο διαφορετικές λειτουργίες στο ίδιο επίπεδο, και ταυτόχρονα αρκετά μικρό έτσι ώστε η αρχιτεκτονική να μη γίνεται άβολη. Το OSI δεν αποτελεί από μόνο του μία αρχιτεκτονική δικτύου επειδή δεν προσδιορίζει τις ακριβείς υπηρεσίες και πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται σε κάθε επίπεδο. 4

Το Μοντέλο Αναφοράς OSI (3/3) 5

Τα επίπεδα του OSI - Φυσικό Επίπεδο (Physical Layer) Ασχολείται με τη μετάδοση ανεπεξέργαστων δυαδικών ψηφίων μέσω ενός καναλιού επικοινωνίας. Ζητήματα σχεδίασης: Εξασφάλιση ότι όταν η μία πλευρά στέλνει το bit 1, η άλλη το λαμβάνει σωστά. Ασχολούνται με τις μηχανικές, ηλεκτρονικές και χρονικές διασυνδέσεις, καθώς και με το φυσικό μέσο μετάδοσης. Τυπικά Ερωτήματα: Volt αναπαράστασης των 1 και 0, πόσα nsec διαρκεί ένα bit, μετάδοση ταυτόχρονη ή όχι στις δύο κατευθύνσεις, πως εγκαθιδρύεται ή τερματίζεται η σύνδεση, πόσους ακροδέκτες έχει ο connector του δικτύου και σε σε τι χρησιμεύει ο καθένας. 6

Τα επίπεδα του OSI - Επίπεδο Συνδέσμου Μεταφοράς (Data Link Layer) Μετασχηματίζει μία υπηρεσία μετάδοσης ανεπεξέργαστων δεδομένων σε μία γραμμή η οποία να φαίνεται στο επίπεδο δικτύου ότι δεν έχει τον κίνδυνο μη εντοπισμένων σφαλμάτων μετάδοσης. Αυτό επιτυγχάνεται με τον τεμαχισμό των δεδομένων από τον αποστολέα σε πλαίσια δεδομένων (data frames) λίγων εκατοντάδων ή χιλιάδων byte και με το να μεταδίδονται τα πλαίσια με τη σειρά.. Όταν η υπηρεσία είναι αξιόπιστη επιστέφεται ένα πλαίσιο επιβεβαίωσης (ack frame). Μηχανισμός ρύθμισης της κυκλοφορίας ρυθμός αποστολής & λήψης. Υποεπίπεδο Ελέγχου Προσπέλασης Μέσων: Στα δίκτυα εκπομπής εδώ γίνεται ο έλεγχος πρόσβασης στο κοινόχρηστο κανάλι επικοινωνίας. 7

Τα επίπεδα του OSI - Επίπεδο Δικτύου (Network Layer) Ελέγχει τη λειτουργία του υποδικτύου. Ζητήματα σχεδίασης: Καθορισμός του τρόπου δρομολόγησης των πακέτων από την προέλευση προς τον προορισμό τους. Τα δρομολόγια μπορεί να: βασίζονται σε στατικούς πίνακες που αλλάζουν σπάνια. προσδιορίζονται στην αρχή κάθε συνομιλίας - terminal session (e.g., a login to a remote machine) είναι εντελώς δυναμικά, δηλ. να καθορίζονται εκ νέου για κάθε πακέτο. Έλεγχος συμφόρησης Παρεχόμενη ποιότητα υπηρεσιών (καθυστέρηση, χρόνο διέλευσης, παραμόρφωση χρονισμού κλπ.) Διασύνδεση ετερογενών δικτύων: διευθυνσιοδότηση, μέγεθος πακέτων, πρωτόκολλα Στα δίκτυα εκπομπής αυτό το επίπεδο είναι υποτυπώδες ή ανύπαρκτο γιατί το πρόβλημα της δρομολόγησης είναι απλό. 8

Τα επίπεδα του OSI - Επίπεδο Μεταφοράς (Transport Layer) Δέχεται δεδομένα και τα διασπά αν χρειάζεται σε μικρότερες μονάδες, τα μεταβιβάζει στο επίπεδο δικτύου και εξασφαλίζει ότι φτάνουν σωστά στο άλλο άκρο. Όλα αυτά πρέπει να γίνονται με αποδοτικό τρόπο και να είναι αδιαφανή από τα ανώτερα επίπεδα. Καθορίζει τον τύπο της υπηρεσίας (αυτό γίνεται όταν εγκαθιδρύεται η σύνδεση): Απαλλαγμένο από σφάλματα κανάλι από σημείο σε σημείο, το οποίο μεταδίδει μηνύματα με τη σειρά που στάλθηκαν. Μεταφορά μεμονωμένων μηνυμάτων χωρίς εγγυήσεις για τη σειρά μετάδοσης. Εκπομπή μηνυμάτων σε πολλαπλούς προορισμούς. Transport layer is a true end-to-end layer: Ένα πρόγραμμα στη μηχανή προέλευσης «συνομιλεί» με ένα παρόμοιο πρόγραμμα στη μηχανή προορισμού. Τα επίπεδα 1 έως 3 λειτουργούν αλυσιδωτά. 9

Τα επίπεδα του OSI - Επίπεδο Συνδιάλεξης (Session Layer) Επιτρέπει σε χρήστες διαφορετικών μηχανών να εγκαθιδρύουν sessions. Μία σύνοδος επιτρέπει μια συνήθη μεταφορά δεδομένων, όπως και το επίπεδο μεταφοράς, αλλά παρέχει και μερικές πρόσθετες υπηρεσίες που είναι χρήσιμες σε πολλές εφαρμογές. Έλεγχος διαλόγου (dialog control) ποιος έχει σειρά να μεταδώσει. Διαχείριση σκυτάλης (token management) αποτρέπει τις δύο πλευρές από το να εκτελέσουν ταυτόχρονα την ίδια κρίσιμη λειτουργία. Συγχρονισμός (synchronization) τήρηση σημείων ελέγχου σε μακρόχρονες μεταδόσεις, ώστε αυτές να μπορούν να συνεχιστούν από το σημείο που διακόπηκαν μετά από μία κατάρρευση του συστήματος. 10

Τα επίπεδα του OSI - Επίπεδο Παρουσίασης (Presentation Layer) Ασχολείται με τη σύνταξη και σημασιολογία των μεταδιδόμενων πληροφοριών. Κάνει εφικτή την επικοινωνία μεταξύ υπολογιστών που χρησιμοποιούν διαφορετικές αναπαραστάσεις δεδομένων. Επιτρέπει τον ορισμό και την ανταλλαγή δομών δεδομένων υψηλού επιπέδου (π.χ. τραπεζικά έγγραφα) 11

Τα επίπεδα του OSI - Επίπεδο Εφαρμογών (Application Layer) Περιέχει μια ποικιλία πρωτοκόλλων που χρησιμοποιούνται συχνά από τους χρήστες (π.χ. HTTP) Χρησιμοποιεί τις υπηρεσίες του επιπέδου παρουσίασης για την εκτέλεση εφαρμογών των χρηστών. Μερικές χαρακτηριστικές λειτουργίες αυτού του επιπέδου είναι η μεταφορά αρχείων, η εισαγωγή εργασιών από απόσταση, η εμφάνιση καταλόγων (directory) αρχείων, το ηλεκτρονικό ταχυδρομείο κλπ. 12

Το Μοντέλο Αναφοράς TCP/IP Χρησιμοποιήθηκε στο ARPANET και το Internet. Βασικές Αρχές: Η ικανότητα διασύνδεσης διαφορετικών δικτύων με διαφανή τρόπο ήταν από τις βασικές αρχές σχεδίασης. Επιβίωση μετά από απώλειες υλικού του υποδικτύου. Ευέλικτη αρχιτεκτονική για σχεδιασμό εφαρμογών με πολλές διαφορετικές απαιτήσεις. 13

Τα επίπεδα του TCP/IP - Επίπεδο Διαδικτύου (Internet Layer) Οι απαιτήσεις οδήγησαν στην επιλογή ενός δικτύου μεταγωγής πακέτων που βασίζεται σε ένα ασυνδεσμικό επίπεδο διαδικτύου. Είναι ο ακρογωνιαίος λίθος ολόκληρης της αρχιτεκτονικής. Επιτρέπει στους υπολογιστές υπηρεσίας να εισάγουν τα πακέτα τους σε οποιοδήποτε δίκτυο και αυτά να ταξιδεύουν ανεξάρτητα από τον προορισμό τους (μπορεί αυτός να βρίσκεται σε άλλο δίκτυο). Τα πακέτα μπορεί να φτάσουν με διαφορετική σειρά από αυτή της αποστολής. Αναλογία με ταχυδρομείο. Πρωτόκολλο Διαδικτύου ή IP (Internet Protocol) Η δουλειά του επιπέδου είναι να παραδίδει τα IP πακέτα. Βασικά ζητήματα είναι η δρομολόγηση και η αποφυγή συμφόρησης. 14

Τα επίπεδα του TCP/IP - Επίπεδο Μεταφοράς (Transport Layer) Επιτρέπει στις ομότιμες οντότητες στους υπολογιστές υπηρεσίας προέλευσης και προορισμού να συνομιλούν. Έχουν οριστεί δύο πρωτόκολλα μεταφοράς από άκρου εις άκρο: Πρωτόκολλο Ελέγχου Μετάδοσης (TCP Transport Control Protocol): Επιτρέπει σε μία ροή byte μίας μηχανής να παραδίδεται χωρίς σφάλματα σε μία άλλη μηχανή. Τεμαχίζει την εισερχόμενη ροή byte και την επανασυναρμολογεί στον παραλήπτη Χειρίζεται τον έλεγχο ροής Πρωτόκολλο Αυτοδύναμων Πακέτων Χρήστη ( UDP User Datagram Protocol): αναξιόπιστο ασυνδεσμικό πρωτόκολλο. Χρησιμοποιείται για μεμονωμένα μηνύματα τύπου αίτησηςαπάντησης και για εφαρμογές που είναι μεγαλύτερη η ανάγκη για ταχύτητα και όχι για ακρίβεια (φωνή, βίντεο). 15

Τα επίπεδα του TCP/IP - Επίπεδο Εφαρμογών (Application Layer) Περιέχει τα πρωτόκολλα ανώτερου επιπέδου. TELNET FTP SMTP DNS HTTP 16

Τα επίπεδα του TCP/IP - Επίπεδο Διασύνδεσης Μεταξύ Υπολογιστή Υπηρεσίας & Δικτύου (Host-to-Network Layer) Έχουμε ένα μεγάλο κενό The reference model points out that the host has to connect to the network using some protocol so it can send IP packets to it. 17

Πρωτόκολλα και δίκτυα στο αρχικό μοντέλο TCP/IP 18

Πρωτόκολλα στο TCP/IP 19

Σύγκριση OSI & TCP/IP (1/2) Πολλά κοινά σημεία: Στοίβες ανεξάρτητων πρωτοκόλλων Παρόμοια λειτουργικότητα στα επίπεδα Στο επίκεντρο του OSI βρίσκονται οι έννοιες: Υπηρεσίες Διασυνδέσεις Πρωτόκολλα Η μεγαλύτερη συνεισφορά του OSI είναι ότι έκανε σαφή τη διάκριση ανάμεσα σε αυτές τις έννοιες. Το TCP/IP αρχικά δεν έκανε σαφή την παραπάνω διάκριση, έτσι τα πρωτόκολλα στο OSI είναι καλύτερα κρυμμένα και μπορούν να αντικατασταθούν πιο εύκολα, όποτε αλλάζει η τεχνολογία. 20

Σύγκριση OSI & TCP/IP (2/2) Το OSI επινοήθηκε πριν να σχεδιαστούν τα πρωτόκολλα έτσι δεν ήταν προκατειλημμένο υπέρ κάποιου πρωτοκόλλου, από την άλλη πλευρά έτσι οι σχεδιαστές δεν είχαν μεγάλη πείρα με το αντικείμενο. Στο TCP/IP ίσχυε το ακριβώς αντίθετο. Το ταίριασμα πρωτοκόλλων με το μοντέλο ήταν τέλειο. Αλλά το μοντέλο δεν ταίριαζε με οποιεσδήποτε άλλες στοίβες πρωτοκόλλων. Έχουν διαφορετικό αριθμό επιπέδων. Το OSI υποστηρίζει ασυνδεσμική & συνδεσμοστρεφή επικοινωνία στο επίπεδο δικτύου, αλλά μόνο συνδεσμοστρεφή επικοινωνία στο επίπεδο μεταφοράς. Το TCP/IP υποστηρίζει ασυνδεσμική επικοινωνία στο επίπεδο δικτύου, αλλά και τους δύο τύπους στο επίπεδο μεταφοράς 21

Κριτική του OSI και των Πρωτοκόλλων του (1/2) Κακός Χρονισμός David Clark MIT: Η αποκάλυψη των δύο ελεφάντων Κακή Τεχνολογία Η επιλογή 7 επιπέδων ήταν θέμα πολιτικής Το OSI είναι περίπλοκο Paul Mockapetris: Q. What do you get when you cross a mobster with an international standard? A. Someone who makes you an offer you can't understand. Κάποιες λειτουργίες εμφανίζονται σε πολλά επίπεδα (π.χ. Έλεγχος ροής, διευθυνσιοδότηση κ.λ.π. 22

Κριτική του OSI και των Πρωτοκόλλων του (2/2) Κακές Υλοποιήσεις Η πολυπλοκότητα προκάλεσε πελώριες, δυσκίνητες και αργές υλοποιήσεις σε αντίθεση με το TCP/IP που η πρώτη υλοποίηση (Berkley UNIX) αρκετά καλή και δωρεάν. Κακή Πολιτική Το TCP/IP θεωρήθηκε μέρος του UNIX, παιδί της ακαδημαϊκής κοινότητας. Το OSI θεωρήθηκε παιδί των γραφειοκρατών. 23

Κριτική του TCP/IP και των Πρωτοκόλλων του Δεν είναι καλός οδηγός για σχεδίαση νέων δικτύων. Δεν είναι γενικό και είναι ακατάλληλο για περιγραφή άλλης στοίβας πρωτοκόλλων. Το Επίπεδο Διασύνδεσης μεταξύ Υπολογιστή Υπηρεσίας & Δικτύου δεν είναι «πραγματικό» επίπεδο. Δεν διακρίνει το φυσικό με το επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων. Εκτός από το TCP και το IP πολλά άλλα πρωτόκολλα είναι προχειροφτιαγμένα (π.χ. TELNET). To μοντέλο OSI και τα πρωτόκολλα του TCP/IP είναι αυτά που αξίζουν περεταίρω διερεύνησης. 24

Παραδείγματα Δικτύων Το Internet Αποτελεί μια τεράστια συλλογή από διαφορετικά δίκτυα που χρησιμοποιούν κάποια κοινά πρωτόκολλα και παρέχουν κάποιες κοινές υπηρεσίες. Δεν σχεδιάστηκε από κανέναν και δεν ελέγχεται από κανέναν!????? 25

ARPANET (1/3) Τέλη της δεκαετίας του 1950 το Υπουργείο Άμυνας των ΗΠΑ ήθελε ένα δίκτυο διοίκησης και ελέγχου που να μπορεί να αντέξει σε πυρηνικό πόλεμο. 1960 - συμβόλαιο στη RAND Corporation (Paul Baran): προτάθηκε ψηφιακή τεχνολογία μεταγωγής πακέτων αλλά απορρίφθηκε από την AT&T. Η εκτόξευση του Sputnik το 1957 και τα μαλώματα οδήγησαν στη δημιουργία του Advanced Research Project Agency ARPA ενός ερευνητικού τμήματος του Υπουργείου Άμυνας των ΗΠΑ 1967: Το ARPA στράφηκε στη δικτύωση 26

ARPANET (2/3) 1968: Η ΒΝΝ πήρε συμβόλαιο υλοποίησης υποδικτύου και λογισμικού. 1969: Αναπτύχθηκε το ARPANET ένα ερευνητικό δίκτυο μεταφοράς δεδομένων με κατανεμημένη λειτουργία που είχε ως στόχο την ανταλλαγή πληροφοριών ακόμα και στην περίπτωση καταστροφής μεγάλου μέρους το δικτύου από πυρηνική επίθεση 1974: TCP/IP 27

ARPANET (3/3) Δεκέμβριος 69, Ιούλιος 70, Μάρτιος 71, Σεπτέμβριος 72 28

Το NSFNET του National Science Foundation - NSF Το πρώτο WAN με TCP/IP (τέλη 1970) 29

Χρήση του Internet Ο συνδετικός κρίκος του Internet είναι το TCP/IP και τα αντίστοιχα πρωτόκολλα. Μία μηχανή είναι συνδεδεμένη στο Internet, αν εκτελεί τη στοίβα πρωτοκόλλων TCP/IP, έχει μία διεύθυνση IP, και μπορεί να στέλνει πακέτα IP σε όλες τις άλλες μηχανές του Internet. Αρχικές υπηρεσίες: Email News Remote login File transfer 1992: Αναπτύχθηκε στο CERN το World Wide Web από το Tim Berners-Lee 30

Αρχιτεκτονική του Internet 31

Συνδεσμοστρεφή Δίκτυα X.25, Frame Relay Ποιότητα Υπηρεσιών Χρέωση!!! X.25: ήταν το πρώτο δημόσιο δίκτυο δεδομένων. Τέθηκε σε λειτουργία τη δεκαετία του 70. Ο υπολογιστής εγκαθίδρυε αρχικά μια σύνδεση με έναν απομακρυσμένο υπολογιστή, μέσω τηλεφώνου. Η σύνδεση αυτή λάμβανε έναν αριθμό σύνδεσης. Frame Relay: Αντικατέστησε το X.25 τη δεκαετία του 80. Συνδεσμοστρεφές δίκτυο χωρίς έλεγχο σφαλμάτων και ροής. 32

Συνδεσμοστρεφή Δίκτυα ΑΤΜ (Asynchronous Transfer Mode) Σχεδιάστηκε στις αρχές του 90. Κακός χρονισμός, τεχνολογία, υλοποίηση & πολιτική. Είναι πιο επιτυχημένο από το OSI. Χρησιμοποιείται ευρύτατα στο τηλεφωνικό σύστημα, συχνά για τη μετάδοση πακέτων IP. Εικονικά Κυκλώματα: ένα αρχικό πακέτο εγκαθιδρύει τη σύνδεση. Μόνιμα Εικονικά Κυκλώματα Κάθε σύνδεση μόνιμη ή μη διαθέτει ένα μοναδικό αναγνωριστικό σύνδεσης. 33

Συνδεσμοστρεφή Δίκτυα ΑΤΜ Η βασική ιδέα είναι η μετάδοση όλων των πληροφοριών σε μικρά πακέτα σταθερού μεγέθους που ονομάζονται κελιά (cells) 53 byte με 5 byte κεφαλίδα. Μη εγγυημένη παράδοση, εγγυημένη σειρά. Πλεονεκτήματα: Η δρομολόγηση υλοποιείται στο υλικό με μεγάλη ταχύτητα. Το υλικό μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να αντιγράφει ένα εισερχόμενο κελί σε πολλές γραμμές εξόδου. Τα μικρά κελιά δεν απασχολούν τις γραμμές για πολύ χρόνο. 34

Το Μοντέλο Αναφοράς ΑΤΜ (1/2) Φυσικό επίπεδο: Ασχολείται με το φυσικό μέσο. Επίπεδο ΑΤΜ: Ασχολείται με τα κελιά και τη μεταφορά τους (δομή, εγκαθίδρυση & απελευθέρωση εικ. κυκλ., έλεγχος συμφόρησης). Επίπεδο προσαρμογής: τεμαχίζει και ανασυναρμολογεί τα πακέτα σε κελιά. Τομέας χρήστη: Ασχολείται με τη μετάδοση δεδομένων, έλεγχος ροής, διόρθωση σφαλμάτων κ.α. Τομέας ελέγχου: Ασχολείται με τη διαχείριση συνδέσεων. Διαχείριση επιπέδων & τομέων: Ασχολούνται με τη διαχείριση των πόρων και το συντονισμό μεταξύ των επιπέδων. 35

Το Μοντέλο Αναφοράς ΑΤΜ (2/2) 36

Ethernet (ΙΕΕΕ 802.3) Είναι το πιο δημοφιλές LAN. ALOHANET: Η ιδέα ξεκίνησε από το πανεπιστήμιο της Χαβάη. Ραδιοπομποί μικρής εμβέλειας με δύο συχνότητες (ανερχόμενη - κατερχόμενη). XEROX Palo Alto Research Center: O Bob Metcalfe το 1976 υλοποίησε το πρώτο τοπικό δίκτυο. Ομοαξονικό καλώδιο με μήκος 2,5 χλμ. Και αναμεταδότες ανά 500 μέτρα. 3Com: το αξιοποίησε! IBM token ring (ΙΕΕΕ 802.5) 37

Ασύρματα LAN: 802.11 - WiFi Είναι συμβατό με το Ethernet για τα επίπεδα πάνω από το επίπεδο συνδέσμου μετάδοσης δεδομένων. Προβλήματα: Εξασθένηση πολλαπλών διαδρομών ανακλάσεις Λογισμικό Τι γίνεται όταν ο υπολογιστής βρεθεί στην εμβέλεια άλλου σταθμού βάσης; 38

Ασύρματα LAN: 802.11 39

ITU International Telecommunication Union Τομείς Ραδιοεπικοινωνιών - Radiocommunications Τυποποίησης Τηλεπικοινωνιών - Telecommunications Standardization Ανάπτυξης Development Κατηγορίες Μελών Κυβερνήσεις - National governments Κλαδικά Μέλη - Sector members Συνδεδεμένα Μέλη - Associate members Ρυθμιστικές Αρχές - Regulatory agencies 40

IEEE 802 Standards 41

Τοπικά Δίκτυα (LANs) Toπολογίες Αρτηρίας (Bus topologies) (π.χ. Ethernet) Απλή τοπολογία αρτηρίας Τοπολογία αρτηρίας με διακλάδωση 42

Τοπικά Δίκτυα (LANs) Toπολογία Δαχτυλιδιού (Ring topology) (π.χ. Δαχτυλίδι toke ring) 43

Τυπικό Δείγμα Διαδικτύου Γέφυρα (bridge): δίκτυα ίδιου τύπου. Δρομολογητής (router): Δίκτυα διαφορετικού τύπου. Υπολογιστές ειδικού σκοπού. Δυο ή περισσότερα δίκτυα. PSE: packet-switch exchange. Πύλες (gateways): Υπολογιστές γενικού σκοπού. Συνδέει δυο δίκτυα. Host. 44

Δίκτυα Ευρείας Περιοχής (WANSs) Οι σύνδεσμοι (links) μπορεί να είναι: Νοικιασμένες τηλεφωνικές γραμμές. Οπτικές ίνες. Ομοαξονικά καλώδια. Δορυφορικοί σύνδεσμοι. Σύνδεσμοι μικροκυμάτων. Σκοπός: Κοινή χρήση συνδέσμων και πόρων. 45

Τεχνικές Μεταγωγής (Switching Techniques) - Μεταγωγή Κυκλώματος (Circuit Switching) Κάθε σύνδεσμος «σπάει» σε μικρότερα κομμάτια, κάθε ένα από τα οποία δεσμεύεται αποκλειστικά για μια και μόνο σύνοδο (session). 3 ή 4 τρόποι να υλοποιήσουμε τα κυκλώματα Frequency Division Multiplexing (FDM) Time Division Multiplexing (TDM) Wavelength Division Multiplexing (WDM) Code Division Multiple Access 46

Μεταγωγή Κυκλώματος (Circuit Switching) To WDM είναι σαν τον FDM για οπτικά δίκτυα. Το CDMA είναι κυρίως για ασύρματα δίκτυα (σε άλλο μάθημα) Ένας μεταγωγέας κυκλώματος ανααναθέτει είτε συχνότητες είτε slots στις εξόδους 47

Μεταγωγή Κυκλώματος Απαιτεί 3 φάσεις: α) εγκατάσταση κυκλώματος β) μεταφορά δεδομένων γ) τερματισμός κυκλώματος Ενδέχεται μια κλήση να μπλοκαριστεί (blocking busy signal). Μη αποδοτική χρησιμοποίηση της χωρητικότητας των συνδέσμων αφού ενίοτε παραμένει αχρησιμοποίητη (κυρίως αν υπάρχουν bursty πηγές). Χρειάζεται χρόνος για να γίνει η σύνδεση (αλλά στην συνέχεια τα δεδομένα περνάνε χωρίς καθυστέρηση). Χρησιμοποιείται κυρίως σε τηλεφωνικά και σε ISDN δίκτυα 48

Mεταγωγή αποθήκευσης και προώθησης (store-and-forward switching) Μεταγωγή μηνυμάτων Οι σύνοδοι (sessions) μοιράζονται τους επικοινωνιακούς πόρους (συνδέσμους και καταχωρητές) με δυναμικό τρόπο. Μεταβλητός χρόνος διέλευσης από ένα σύνδεσμο. Ορισμένα μηνύματα ενδέχεται να χαθούν εξαιτίας της υπερφόρτωσης της μνήμης ενός κόμβου. Μεταγωγή πακέτων Κάθε μήνυμα σπάει σε πακέτα. 49

Λόγοι υπέρ του διαμοιρασμού των μηνυμάτων σε πακέτα Πλεονεκτήματα: μικρότερη καθυστέρηση, ευκολότερη διαχείριση καταχωρητών, ευελιξία στη δρομολόγηση. Μειονεκτήματα: μεγαλύτερος επικοινωνιακός και υπολογιστικός φόρτος, προβλήματα επανασυναρμολόγησης μηνυμάτων. 50

Δυο είδη μεταγωγής πακέτων Δρομολόγηση σε δίκτυο που χρησιμοποιεί datagram switching (μεταγωγή «αυτοδύναμων πακέτων») Δρομολόγηση σε δίκτυο που χρησιμοποιεί virtual circuit switching (μεταγωγή «εικονικών κυκλωμάτων») 51

Στατιστική πολυπλεξία 52

Είδη μεταγωγής αποθήκευσης και προώθησης Μεταγωγή πακέτων (τα μηνύματα διαμοιράζονται σε πακέτα) Μεταγωγή μηνυμάτων (τα μηνύματα ΔΕ διαμοιράζονται σε πακέτα) Datagram switching (κάθε πακέτο δρομολογείται ανεξάρτητα από τα υπόλοιπα) virtual circuit switching (όλα τα πακέτα ακολουθούν την ίδια διαδρομή) Datagram switching: ευελιξία στη δρομολόγηση. Virtual circuit switching: τα πακέτα φτάνουν στη σωστή σειρά, μικρός υπολογιστικός και επικοινωνιακός φόρτος. Cut-through switching: Κάθε πακέτο αρχίζει να μεταδίδεται πρίν ληφθεί πλήρως από τον κόμβο. 53

Είδη Κυκλοφοριακού Φόρτου (Συνδιαλέξεων) στο Ίδιο Δίκτυο Αλληλεπιδραστική (interactive) κυκλοφορία: Τα μηνύματα είναι μικρά. Ο ρυθμός αφίξεως μηνυμάτων είναι χαμηλός. Απαιτείται γρήγορη απόκριση. Απαιτείται υψηλή αξιοπιστία. Μεταφορά αρχείων: Τα μηνύματα είναι μεγάλα. Οι συνδιαλλέξει είναι εκρηκτικές (bursty) Απαιτείται υψηλή αξιοπιστία. Μεγάλες καθυστερήσεις είναι ανεκτές. Πακετοποιημένη φωνή (packetized voice): Τα πακέτα είναι μικρά. Η κυκλοφορία δεδομένων είναι ομαλή. Απαιτούνται μικρές καθυστερήσεις. Η αξιοπιστία δεν είναι σημαντική. Γραφικά & video: Τα μηνύματα είναι μεγάλα. Οι καθυστερήσεις μπορεί να είναι ή να μην είναι σημαντικές. Η μεταβλητότητα της καθυστέρησης πρέπει να είναι μικρή (για video). H κυκλοφορία δεδομένων μπορεί να είναι είτε ομαλή είτε εκρηκτική (bursty). 54

Σε ένα δίκτυο έχουμε λοιπόν Μέσα Μετάδοσης Ενσύρματα Ομοαξονικό καλώδιο Καλώδιο συνεστραμμένου ζεύγους Οπτική ίνα Ασύρματα Μικροκυματική ζεύξη Δορυφορική ζεύξη Ραδιοφωνική ζεύξη Δικτυακός εξοπλισμός Hubs Switches Routers 55

Χαρακτηριστικά μέσων μετάδοσης Επιτρέπουν τη μετάδοση σημάτων με συχνότητες που ανήκουν σε μια συγκεκριμένη ζώνη συχνοτήτων που χαρακτηρίζεται από μια μέγιστη και μια ελάχιστη τιμή. Έχουν δύο βασικά χαρακτηριστικά: Εύρος ζώνης (bandwidth): ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ των τιμών της μέγιστης και ελάχιστης συχνότητας. Χωρητικότητα (capacity): ορίζεται ως ο μέγιστος ρυθμός με τον οποίο μπορούν να αποσταλούν ή να παραληφθούν δεδομένα, χωρίς να προκύψουν σφάλματα κατά τη διάρκεια της μετάδοσης. 56

Ενσύρματα μέσα μετάδοσης (1/2) Ομοαξονικό καλώδιο (coaxial cable) Τhinnet: Περιγράφεται από το πρότυπο 10Base2 της ΙΕΕΕ. Το 2 αναφέρεται στα 200 μέτρα δυνατής απόστασης. Τhick coaxial cable: Περιγράφεται από το 10Base5 πρότυπο της ΙΕΕΕ. Το 5 αναφέρεται στα 500 μέτρα δυνατής απόστασης. Καλώδιο συνεστραμμένου ζεύγους (twisted pair cable) STP (Shielded Twisted Pair) UTP (Unshielded Twisted Pair) UTP κατηγορίας 3 (10 Mbps) UTP κατηγορίας 5 (100 Mbps) UTP κατηγορίας 6 (1Gbps) 57

Ενσύρματα μέσα μετάδοσης (2/2) Οπτική ίνα (Optical fiber) Μονότροπη (Single mode): Μόνο μια ακτίνα μεταδίδεται στην οπτική ίνα. Πολύτροπη (Multi mode): πολλές ακτίνες μεταδίδονται ταυτόχρονα. Χρήσεις οπτικής ίνας Κεντρικοί διαύλοι μεγάλου μήκους (Long haul trunks) Κεντρικοί διαύλοι αστικής περιοχής (Metropolitan trunks) Κεντρικοί διαύλοι επαρχιών (Rural exchange trunks) Τοπικοί βρόγχοι (Local loops) Τοπικά δίκτυα (Local area networks) 58

Διαχωρισμός δικτύων με βάση την γεωγραφική διασπορά Όπως ξαναείπαμε Τοπικά Δίκτυα (LAN Local Area Networks): Δίκτυα στο επίπεδο ενός κτηρίου ή ενός συγκροτήματος κτηρίων. Μητροπολιτικά Δίκτυα (MAN Metropolitan Area Networks): Δίκτυα στο επίπεδο ενός μεγάλου αστικού κέντρου, ή ενός συνόλου μικρότερων δήμων που συνήθως έχουν τη μορφή ενός ή πολλαπλών δακτυλίων και συμπληρωματικών υποδομών πρόσβασης. Δίκτυα Ευρείας Ζώνης (WAN Wide Area Networks): Δίκτυα εθνικού ή και υπερεθνικού επιπέδου που συνήθως έχουν τη μορφή αραιού πλέγματος με κόμβους σε μεγάλα αστικά κέντρα. 59

LANs vs. WANs LAN Καλύπτει μικρή γεωγραφική περιοχή Διασυνδέει σταθμούς εργασίας, εξυπηρετητές, εκτυπωτές κ.α. Για την διασύνδεση των συσκευών στο LAN χρησιμοποιείται κάποιο switch WAN Καλύπτει μεγάλη γεωγραφική περιοχή Διασυνδέει μεταξύ τους διαφορετικά τοπικά δίκτυα Για την διασύνδεση των διαφορετικών τοπικών δικτύων χρησιμοποιείται συνήθως κάποιος router 60

Τεχνολογίες LAN Ethernet: 10 Mbps Fast Ethernet: 100Mbps 100Base-T4: UTP καλώδιο κατηγορίας 3 -> ως 100m 100Base-TX:UTP καλώδιο κατηγορίας 5 -> ως 100m 100Base-FX:Πολύτροπη οπτική ίνα -> ως 2000m Gigabit Ethernet: 1Gbps 1000Base-SX: Πολύτροπη οπτική ίνα -> ως 550m 1000Base-LX: Μονότροπη ή πολύτροπη οπτική ίνα -> ως 5000m 1000Base-CX: 2 ζεύγη STP καλώδιο -> ως 25m 1000Base-T: 4 ζεύγη UTP καλώδιο κατηγορίας 5 -> ως 100m 61

Τεχνολογίες διασύνδεσης MAN/WAN (1/3) Μισθωμένες γραμμές: Είναι αναλογικές ή ψηφιακές γραμμές οι οποίες μισθώνονται με μηνιαίο τέλος για μεταφορά δεδομένων. Ο χρήστης αυτών των γραμμών έχει τη συνεχή και αποκλειστική χρήση τους. Χ.25: Πρότυπο της ITU για επικοινωνία WAN (3ο επίπεδο OSI) το οποίο περιγράφει τον τρόπο επικοινωνίας μεταξύ των μηχανημάτων των χρηστών και των μηχανημάτων του δικτύου μεταφοράς των δεδομένων. Hellaspac: Χ.25 δίκτυο του ΟΤΕ το οποίο λειτουργεί από το 1988 και υποστηρίζει ταχύτητες μέχρι 2 Mbps. Hellascom: Δίκτυο του ΟΤΕ το οποίο χρησιμοποιεί μισθωμένες ψηφιακές γραμμές και έχει εγκατεστημένους κόμβους στις μεγαλύτερες πόλεις της χώρας.. Frame Relay: Πρωτόκολλο μετάδοσης δεδομένων με την μορφή πλαισίων επιπέδου σύνδεσης δεδομένων (2ο επίπεδο OSI). Υποστηρίζει ταχύτητες ως 2 Mbps. 62

Τεχνολογίες διασύνδεσης MAN/WAN (2/3) ATM: Τεχνολογία μετάδοσης πακέτων με την οποία συνδυάζονται τα πλεονεκτήματα μεταγωγής πακέτου και μεταγωγής κυκλώματος. Υποστηρίζει ταχύτητες μετάδοσης 155~622 Mbps MPLS: Με το MPLS προσπαθούμε να δημιουργήσουμε κυκλώματα σε ένα μέσο (δίκτυο IP) που εξορισμού δεν υποστηρίζει κυκλώματα. Ο ΟΤΕ παρέχει υπηρεσία MPLS VPN. SDH/SONET: Αποτελεί ένα πρωτόκολλο οπτικής μετάδοσης που προσφέρει υψηλές ταχύτητες μετάδοσης (από 155 Mbps ως 10 Gbps) διαμέσου οπτικών ινών (SDH είναι το Ευρωπαϊκό πρότυπο και SONET είναι το Αμερικάνικο πρότυπο ). 63

Τεχνολογίες διασύνδεσης MAN/WAN (3/3) WDM: Με την χρήση WDM διασυνδέονται SDH πολυπλέκτες και επιτρέπεται η μεταφορά μέχρι 80 πολυπλεγμένων σημάτων μέσα από μια οπτική ίνα. Εκμίσθωση λάμδα: Μίσθωση ενός μήκους κύματος σε υποδομή WDM. Εκμίσθωση σκοτεινής οπτικής ίνας (dark fiber): Μίσθωση ενός ζεύγους οπτικής ίνας στην οποία ο εκμισθωτής τοποθετεί ο ίδιος τον απαραίτητο εξοπλισμό για την μετάδοση δεδομένων. Ασύρματες ζεύξεις ΙΕΕΕ 802.16: Ταχύτητές μέχρι 72 Mbps Δορυφορικά συστήματα: Κύριο χαρακτηριστικό η μεγάλη καθυστέρηση μετάδοσης. 64

Collision domain Ένα collision domain αποτελεί ένα τμήμα του δικτύου, όπου μπορούν πακέτα δεδομένων να συγκρουστούν όταν αποστέλλονται μέσω ενός διαμοιραζόμενου μέσου μετάδοσης. Μία σύγκρουση μπορεί να εμφανιστεί όταν δύο ή περισσότεροι σταθμοί προσπαθήσουν να μεταδώσουν ταυτόχρονα στο ίδιο τμήμα δικτύου Ένα hub ορίζει ένα collision domain Κάθε θύρα ενός switch ορίζει ένα collision domain 65

Broadcast domain Ένα broadcast domain αποτελεί ένα τμήμα ενός δικτύου, στο οποίο όλες οι συσκευές, μπορούν να επικοινωνήσουν στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων η μία με την άλλη μέσω broadcast μηνυμάτων. Οι δρομολογητές διαχωρίζουν το δίκτυο σε broadcast domains. Τα collision domains σε γενικές γραμμές είναι μικρότερα από τα broadcast domains. Ένα broadcast domain μπορεί να εμπεριέχει μερικά collision domains. 66

Παράδειγμα broadcast domains Στο δίκτυο του σχήματος ορίζονται 5 broadcast domains. Στην περίπτωση που θέλω να δημιουργήσω πολλά broadcast domains απαιτούνται pολλοί δρομολογητές -> μεγάλη καθυστέρηση στο δίκτυο λόγω επεξεργασίας πολλών πακέτων. Λύση: χρησιμοποιώ VLANs 67

Switches Λειτουργούν στο 2ο επίπεδο της TCP/IP στοίβας πρωτοκόλλων Η εισερχόμενη κίνηση από ένα σταθμό προωθείται (switched) μόνο στην κατάλληλη έξοδο (στον παραλήπτη) Οι μη χρησιμοποιούμενες γραμμές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για το switching άλλης κίνησης. Περισσότεροι από ένας σταθμοί μπορούν να μεταδίδουν κάθε χρονική στιγμή. Αυξημένη χωρητικότητα στο LAN 68

Υλοποίηση LAN με χρήση switches Η μεταγωγή δεδομένων γίνεται στο επίπεδο 2 του TCP/IP Όλοι οι σταθμοί συμμετέχουν στο ίδιο broadcast domain -> προσθέτει σημαντική κίνηση στο δίκτυο Με σημαντική αύξηση του μεγέθους του δικτύου το παραπάνω πρόβλημα μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικά προβλήματα και υπερφόρτωση του δικτύου 69

Virtual Local Area Network (VLAN) Τα Virtual LANs (VLANs) μπορούν να θεωρηθούν ως μια ομάδα συσκευών οι οποίες βρίσκονται σε διαφορετικά φυσικά LAN, αλλά επικοινωνούν μεταξύ τους σαν να βρίσκονται στο ίδιο broadcast domain. Για τη χρήση τους θα πρέπει να υπάρχει υποστήριξη VLAN από τις δικτυακές συσκευές του δικτύου Πλεονεκτήματα Μείωση της κίνησης στο δίκτυο Αύξηση της ασφάλειας Μείωση σε απαιτήσεις hardware 70

Υλοποίηση LAN με χρήση switches και VLAN Μειωμένη κίνηση στο δίκτυο Broadcast μόνο στα μέλη του VLAN και όχι σε όλους του χρήστες 71

Λογικά ομαδοποιημένα VLAN με βάση την αναμενόμενη κίνηση Σταθμοί της ίδιας ομάδας (π.χ. διαφορετικά κτήρια ενός τμήματος πανεπιστημίου) ομαδοποιούνται στο ίδιο VLAN ανεξάρτητα από την φυσική τοποθεσία των σταθμών Τερματικά και servers οπού αναμένεται κίνηση μεταξύ τους ομαδοποιούνται στο ίδιο VLAN 72

Routers Λειτουργούν στο 3 ο επίπεδο της TCP/IP στοίβας πρωτοκόλλων. Συνδέουν διαφορετικού τύπου δίκτυα. Συνδέουν δίκτυα με διαφορετικό χώρο διευθύνσεων. Προωθούν πακέτα στον επόμενο router ανάλογα με τον προορισμό του πακέτου. 73

Τμήματα ενός δρομολογητή CPU: Αρχικοποίηση συστήματος και λειτουργίες δρομολόγησης Memory RAM: Πίνακας δρομολόγησης και running-configuration Flash: Cisco IOS software images NVRAM: Startup-configuration ROM: Διαγνωστικός κώδικας εκκίνησης Interfaces: Συνδέεται ο δρομολογητής με κάποιο LAN ή WAN. Buses: Επικοινωνία μεταξύ της CPU, των διεπαφών (interfaces) και των slots Console και Auxiliary Ports: Ασύγχρονες σειριακές συνδέσεις για διαχείριση του δρομολογητή Power Supply: Παροχή τροφοδοσίας για την λειτουργία του δρομολογητή 74

Interfaces Μπορεί να είναι ενσωματωμένες στο motherboard του δρομολογητή, ή να εισάγονται στον δρομολογητή ως ξεχωριστό module (ως επεκτάσεις) Διάφοροι τύποι: Serial, ATM, ISDN, Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, κτλ Ακολουθούν την ονοματολογία: Interface_Type Slot_Number/Interface_Number (η αρίθμηση ξεκινά από το 0) Serial 0/1: The 2nd serial interface at 1st slot (slot 0) Serial 1/0: The 1st serial interface at slot 2nd slot (slot 1) FastEthernet 0/1: The 2nd fast ethernet interface at 1st slot (slot 0) 75

Switches vs. Routers Switches: Λειτουργούν στο 2ο επίπεδο (Ζεύξης Δεδομένων) της TCP/IP στοίβας πρωτοκόλλων Διαχειρίζονται πλαίσια (frames) Δρομολόγηση των πλαισίων εντός του τοπικού δικτύου Routers: Λειτουργούν στο 3ο επίπεδο (Δικτύου) της TCP/IP στοίβας πρωτοκόλλων Διαχειρίζονται πακέτα (packets) Δρομολόγηση των πακέτων μεταξύ διαφορετικών δικτύων 76

Παράδειγμα χρήσης switches και routers 77

Και μερικές ασκήσεις Υποθέστε ότι όλες οι πηγές του δικτύου μεταδίδουν με ένα σταθερό ρυθμό μετάδοσης (constant bit rate). Ποια μεταγωγή θα ήταν προτιμότερη σε αυτή την περίπτωση η μεταγωγή κυκλώματος ή η μεταγωγή πακέτου; Υποθέστε ότι όλες οι πηγές του δικτύου μεταδίδουν με μεταβαλλόμενους ρυθμούς μετάδοσης (bursty). Ποιού τύπου μεταγωγή θα ήταν προτιμότερη; Γιατί; 78

Και μερικές ασκήσεις Υποθέστε ότι χρήστες του δικτύου μοιράζονται ένα κανάλι του 1Mbps. Επίσης υποθέστε ότι κάθε χρήστης όταν μεταδίδει απαιτεί 500kbps, αλλά μεταδίδει μόνο το 10% του χρόνου. Χρησιμοποιώντας μεταγωγή κυκλώματος, πόσοι χρήστες μπορούν να υποστηριχθούν; Θεωρείστε ότι τελικά χρησιμοποιούμε μεταγωγή πακέτου. Γιατί δεν θα υπάρχει καθυστέρηση αναμονής εάν δύο ή λιγότεροι χρήστες μεταδίδουν ταυτόχρονα; Βρείτε την πιθανότητα ένας χρήστης να μεταδίδει. Υποθέστε ότι υπάρχουν 3 χρήστες. Βρείτε την πιθανότητα, μία συγκεκριμένη στιγμή, και οι 3 χρήστες να μεταδίδουν ταυτόχρονα. Βρείτε το ποσοστό του χρόνου στο οποίο η ουρά μεγαλώνει. 79

Και μερικές ασκήσεις Καθυστέρηση Διάδοσης (Propagation delay) Υπολογίστε το χρόνο διάδοσης που χρειάζεται ένα πακέτο των 1000 bits να διαδοθεί σε ένα κανάλι απόστασης 5000 km, με ταχύτητα διάδοσης 2.5 Χ 10-8 m/sec, και ρυθμού μετάδοσης 1Mbps; Στη γενική περίπτωση, πόσο χρόνο διάδοσης χρειάζεται ένα πακέτο μήκους L bits να διαδοθεί σε ένα κανάλι μήκους D, με ταχύτητα διάδοσης S, και ρυθμού μετάδοσης R bits; Εξαρτάται αυτός ο χρόνος διάδοσης από το μήκος του πακέτου ή από το ρυθμό μετάδοσης του καναλιού; 80

Και μερικές ασκήσεις Καθυστέρηση Μετάδοσης Υπολογίστε το χρόνο μετάδοσης που χρειάζεται ένα πακέτο των 1000 bits να μεταδοθεί σε ένα κανάλι απόστασης 5000 km, με ταχύτητα διάδοσης 2.5 Χ 10-8 m/sec, και ρυθμού μετάδοσης 1Mbps; Στη γενική περίπτωση, πόσο χρόνο μετάδοσης χρειάζεται ένα πακέτο μήκους L bits να διαδοθεί σε ένα κανάλι μήκους D, με ταχύτητα διάδοσης S, και ρυθμού μετάδοσης R bits; Εξαρτάται αυτός ο χρόνος μετάδοσης από το μήκος του καναλιού και από την ταχύτητα διάδοσης του καναλιού; 81

Ερωτήσεις 82