ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: Δικτύωση και Διαδίκτυο ● Βασικές αρχές δικτύων ● Τοπικά δίκτυα ● Διασύνδεση δικτύων, το Διαδίκτυο ● Υπηρεσίες Οι διαφάνειες περιλαµβάνουν σε βασικές γραµµές το υλικό του βιβλίου αλλά µε διαφορετική σειρά Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 1 Κατηγοριοποίηση δικτύων ●  Γεωγραφική κάλυψη ●  Τοπικό δίκτυο (LAN) ●  Δίκτυο ευρείας περιοχής (WAN) ●  Τεχνολογία ●  Κλειστό (proprietary network) ●  Closed standards (Novel, IBM,…) ●  Ανοικτό ●  Open standards: TCP/IP Internet Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 2 Τοπολογίες Δικτύων ●  Τοπικά δίκτυα (LANs) o Δίαυλος (Bus) o Αστέρας (Star) o Δακτύλιος (Ring) o Άτακτη τοπολογία (wireless ad-hoc) ●  WANs: Γενικός γράφος Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 3 Τοπολογίες δικτύων Σύνδεσµοι = ενσύρµατοι, ασύρµατοι Ethernet Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 4 Τοπολογίες δικτύων Wireless mesh networks Ethernet, WiFi όχι απλός υπολογιστής αλλά δικτυακός κόµβος (όχι απαραίτητα κοινός υπολογιστής αλλά εξειδικευµένη δικτυακή συσκευή) Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 5 Γιατί υπάρχουν δίκτυα; Δικτυακός κόµβος Σύνδεσµοι από κάθε σηµείο σε κάθε σηµείο (n(n-1)) Σύνδεσµοι µε λίγους δικτυακούς κόµβους µόνο (kn) Α •  Στατιστική πολυπλεξία •  Οικονοµίες κλίµακας Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» Β Μεταγωγή κυκλώµατος Μεταγωγή πακέτων 6 Πρωτόκολλα δικτύων •  Δίκτυο = διασκορπισµένο σύστηµα –  Όχι κεντρικός έλεγχος –  Επικοινωνία µε µηνύµατα µόνο! •  Πρωτόκολλα: Κανόνες που πρέπει να ακολουθούν οι συσκευές για να λειτουργήσουν αρµονικά και να προσφέρουν µια συγκεκριµένη υπηρεσία (σαν οµάδα) –  Πως να ερµηνεύσουν εισερχόµενα µηνύµατα (δοµή+ περιεχόµενο µηνυµάτων) –  Πως να αντιδράσουν σε αυτά (τι να υπολογίσουν) –  Τι µηνύµατα να στείλουν στους γείτονες Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 7 Οι στοίβα των πρωτοκόλλων •  Η συνολική λειτουργικότητα σπάζει σε «φλοιούς» (layers) από πιο απλές υπηρεσίες •  Ο πάνω φλοιός στηρίζεται στις υπηρεσίες του αµέσως από κάτω •  Παράδειγµα: το ταχυδροµείο •  Κάθε φλοιός έχει τα δικά του πρωτόκολλα Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» Στοίβα Πρωτοκόλλων 8 Πως κατασκευάζουµε ένα LAN •  Δεδοµένα προβλήµατος: –  Θέλουµε k PCs να στέλνουν πακέτα πληροφ. µεταξύ τους ανά 2 ή 1->k –  Δεν ξέρουµε από πρίν πότε και πού θέλει κάποιος να στείλει •  Λύση Ethernet CSMA/CD, CSMA/CA –  κάθε τερµατικό έχει την δική του διεύθυνση, όλα ακούνε και στέλνουνε στο ιδιο “κανάλι” (ενσύρµατο ή ασύρµατο) –  Carrier Sense CS: συνέχεια ακούµε στό κανάλι και καταλαβαίνουµε άν κάποιος στέλνει (ανίχνευση σήµατος του ποµπού) –  Multiple Access MA: οποισδήποτε αποφασίζει να στείλει αρκεί το κανάλι να είναι ελεύθερο (τυχαία πολλαπλή πρόσβαση αντί για κεντρικό έλεγχο) –  Αντιµετώπιση συγκρούσεων: •  Τις καταλαβαίνω εγκαίρως: σταµατάω να εκπέµπω και ξαναστέλνω σε τυχαίο χρόνο (collision detection CD), περίπτωση ενσύρµατου Ethernet: ακούω ταυτόχρονα που στέλνω, καταλαβαίνω αµέσως σύγκρουση •  Δέν τις καταλαβαίνω εγκαίρως ή και καθόλου: προσπαθώ µε έξυπνο τρόπο να τις αποφύγω όσο γίνεται, ζητώ επιβεβαίωση από παραλήπτη (collision avoidance CA), περίπτωση ασύρµατου Ethernet, δεν µπορώ να ακούω όταν στέλνω Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 9 Το κλασσικό (ενσύρµατο) Ethernet •  Λύση του Ethernet (1970): Ενσύρµατος δίαυλος, χρήση διευθύνσεων MAC •  Πρωτόκολλο CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) –  Συσκευή ακούει συνέχεια τον δίαυλο, µόλις είναι ελεύθερος στέλνει (όταν έχει κάτι να στείλει) –  Εάν υπάρχει σύγκρουση, το καταλαβαίνει έγκαιρα και κάνει back-off (φάση congestion avoidance) –  Back-off: διαλέγει ένα τυχαίο χρόνο T να περιµένει και ξαναστέλνει –  Βασική υπόθεση: συσκευή µπορεί να ακούει ταυτόχρονα που στέλνει -> ανιχνεύει έγκαιρα σύγκρουση Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 10 Ασύρµατο Ethernet (WiFi) •  Το πρόβληµα του κρυµµένου τερµατικού •  Ασύρµατα τερµατικά επικοινωνούν µε ένα σταθµό βάσης Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 11 Ασύρµατο Ethernet (WiFi) •  Πρόβληµα: ασύρµατη κάρτα µπορεί είτε να στέλνει είτε να λαµβάνει –  Δεν µπορεί να ανιχνεύσει σύγκρουση µόνη της (µεταδίδει όλο το πακέτο πρώτα, πρόβληµα κρυµµένου τερµατικού) –  Χρειάζεται ack από δέκτη, και πάλι στέλνει όλο το πακέτο άδικα (κακό CD) •  Λύση: πρωτόκολλο CSMA/CA (Collision Avoidance) –  Λογική: ελαχιστοποίησε συγκρούσεις –  Πριν µεταδόσεις άρχισε ένα (τυχαίο) ξυπνητήρι Τ που µετράει χρόνο µόνο όσο το κανάλι είναι ελεύθερο. Όταν χτυπήσει άρχισε να µεταδίδεις. Περίµενε επιβεβαίωση. Εάν όχι τότε επανέλαβε το ίδιο µε ξυπνητήρι 2Τ (congestion avoidance phase) •  Επέκταση για πλήρη αποφυγή συγκρούσεων µετάδοσης πακέτων –  Όπως στο CSMA/CA, αλλά αντί να στείλεις ολόκληρο πακέτο στείλε RTS (άδεια να µεταδόσεις), περίµενε CTS από σταθµό βάσης (ΣΒ) –  CTS περιέχει το id του σταθµού που επιτρέπει ο ΣΒ να στείλει πακέτο –  Εάν έγινε σύγκρουση (το CTS υποδεικνύει άλλο σταθµό, ή timeout), µπες στην congestion avoidance phase –  Συγκρούσεις πιθανές πάλι αλλά δεν έχουν µεγάλο κόστος: |RTS|<<data packet Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 12 Σύνδεση LANs 1.  Φτιάχνουµε ΕΝΑ µεγαλύτερο LAN (ιδίου τύπου!) ●  Επαναλήπτης (repeater) συνδέει απλά ≥ 2 διαύλους (Ethernets) ●  Γέφυρα (bridge) είναι έξυπνος επαναλήπτης (φιλτράρει τα µηνύµατα) •  Μεταγωγέας (Ethernet switch): Γέφυρα που συνδέει (σε αστέρι) τερµατικές συσκευές υποκαθιστώντας το δίαυλο: ελαχιστοποίηση άχρηστων µηνυµάτων, αποφυγή συγκρούσεων Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 13 Διασύνδεση LANs, “internets” 2.  Κρατάµε τα LANs όπως έχουν ●  ●  LAN3 Ο δροµολογητής (router) συνδέει ≥ 2 LANs σχηµατίζοντας ένα διαδίκτυο (inter-network, internet). Τα αρχικά δίκτυα ενός διαδικτύου διατηρούν την ατοµικότητα τους και συνεχίζουν να ενεργούν ανεξάρτητα data AB data AB KL LAN1 B L LAN4 LAN6 LAN5 K A LAN2 Ταχυδροµεία Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» Παγκόσµια εµβέλεια Τοπική εµβέλεια LAN = τοπική µεταφορική εταιρία 14 Διαδικτυακά πρωτόκολλα Web TCP UDP data AB IP data AB KL Ethernet Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 15 LAN Δροµολόγηση µεταξύ αυτόνοµων συστηµάτων, Ιnternet ΑΣ2 gateway router ΑΣ1 ΑΣ3 Αυτόνοµο σύστηµα (ΑΣ) Διαχειριστική οντότητα Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 16 Η επιχειρηµατική δοµή του Διαδικτύου ●  Το Διαδίκτυο (Internet) είναι ένα διαδίκτυο που εκτείνεται σε ολόκληρο τον κόσµο. –  Ξεκίνησε από την DARPA to 1973. –  Σήµερα συνδέει 1 δισεκατοµµύριο υπολογιστές. Εταιρικό διαδίκτυο (Ιντρανετ) gateway Πρόσβαση (access) Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 17 Διευθυνσιοδότηση στο Διαδίκτυο: “απόλυτες” διευθύνσεις IP ●  Η διεύθυνση ΙΡ είναι ένα σχήµα 4 bytes που χρησιµοποιείται για τον προσδιορισµό της φυσικής διεύθυνσης µιας µοναδικής µηχανής στο Διαδίκτυο (όπως ο τηλεφωνικός αριθµός +302104539009 προσδιορίζει µια µοναδική τηλεφωνική συσκευή) ●  Οι τελείες δεκαδικού συµβολισµού αποτελούν το πρότυπο γραφής µίας ΙΡ διεύθυνσης, χωρίζοντας τα 4 bytes της διεύθυνσης (πχ: 192.207.177.133) ●  Διεύθυνση δικτύου Α: 192.207.177.1xx ●  Περιλαµβάνει όλες τις µηχανές που έχουν IP address που αρχίζει από 192.207.177.1 (πχ 192.207.177.145) Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 18 Μνηµονικά ονόµατα ●  To όνοµα ενός υπολογιστή (host name) (ή που προσφέρει µια υπηρεσία) είναι ένα µνηµονικό όνοµα, δοµηµένο ιεραρχικά σε περιοχές (domains) –  Όνοµα υπολογιστή= υπηρεσία ή “παρατσούκλι” υπολογιστή όνοµα περιοχής (π.χ. dias.econ.aueb.gr, ftp.aueb.gr, www.in.gr) –  Υπηρεσία: ftp, www, smtp, imap, pop3, sip, telnet,… –  Το όνοµα περιοχής (domain name) χαρακτηρίζει µια οντότητα όχι απαραίτητα γεωγραφικά ενιαία (εταιρία, ISP, πανεπιστήµιο, δηµόσιο οργανισµό,...) •  Ιεραρχικό: www.cs.aueb.gr •  Η περιοχή ανώτατου επιπέδου κατηγοριοποιεί τους ιδιοκτήτες των περιοχών: ⋅ •  Κατά χρήστη – π.χ. .com = εµπορική περιοχή. •  Κατά χώρα – π.χ. .gr = περιοχή Ελλάδας. •  Υποπεριοχές και ονόµατα ιδιόκτητων υπολογιστών: •  Προσδιορίζονται από τον ιδιοκτήτη της περιοχής, καταχωρηµένες στον ICANN Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 19 DNS: διασκορπισµένη υπηρεσία καταλόγου •  Βασικό πρόβληµα: όνοµα υπολογιστή -> δικτυακή διεύθυνση (IP address) –  Αντίστοιχο παράδειγµα : πως βρίσκω το τηλέφωνο της “υπηρεσίας ΦΠΑ της εφορίας Α”; από τον τηλεφωνικό κατάλογο! –  Internet: Domain Name System = σύστηµα που λύνει το παραπάνω πρόβληµα •  DNS: διασκορπισµένος κατάλογος µε ιεραρχική δοµή •  Κάθε domain πρέπει να τηρεί ένα διακοµιστή ονοµάτων (name server) •  Ένας name server ενός domain γνωρίζει •  Τις IP διευθύνσεις των υπολογιστών που δίνουν τις διάφορες υπηρεσίες (ftp, smtp, www,…), ή έχουν κάποιο παρατσούκλι •  Tις IP διευθύνσεις των name server των sub-domains του (πχ ο name server του aueb.gr γνωρίζει την IP address του name server του cs.aueb.gr Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 20 Λειτουργία του DNS Εύρεση του IP address για diva.eecs.berkeley.edu Root name server IP = a (2) com ... edu ... IP = b (4) stanford berkeley ... IP = c (6) geo asia IP = e ... eecs diva IP = d (3) gr Local name server (1) Host (8) (5) (7) (1): diva.eecs.berkeley.edu = ? (2): berkeley.edu = ? (3): berkeley.edu = b (4): eecs.berkeley.edu = ? (5): eecs.berkeley.edu = c (6): diva.eecs.berkeley.edu = ? (7): diva.eecs.berkeley.edu = d (8): diva.eecs.berkeley.edu = d Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 21 Κατανεµηµένα συστήµατα ●  Τα κατανεµηµένα συστήµατα αποτελούνται από µονάδες (υπηρεσίες) οι οποίες εκτελούνται σε διαφορετικούς υπολογιστές ενός δικτύου. –  Η βασική υποδοµή (επικοινωνία, ασφάλεια, βασικές υπηρεσίες) συνήθως παρέχεται από προκατασκευασµένα συστήµατα. ●  Παράδειγµα: Enterprise Java Beans από τη Microsystems, .NET Framework από τη Microsoft. ●  Grid computing (τεχνολογία Πλέγµατος): SW, HW = υπηρεσίες, αφαιρούµε πληροφορία γεωγραφικής θέσης, φυσικών χαρακτηριστικών µηχανών ●  “Θέλω η υπηρεσία Α να τρέξει στο ισοδύναµο µιας µηχανής 2,8GHz κλπ” ●  Δεν µε ενδιαφέρει ποιος έχει κατασκευάσει την Α, πού είναι η φυσική µηχανή που ένα κοµµάτι της θα αφιερωθεί σε εµένα,... Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 22 Εφαρµογές Διαδικτύου ●  Ηλεκτρονική αλληλογραφία (e-mail) ●  To πρωτόκολλο µεταφοράς αρχείων (FTP) ●  Αποµακρυσµένη σύνδεση: telnet, κτλ. ●  O Παγκόσµιος Ιστός World Wide Web ●  VoIP: SIP ●  …. Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 23 Eπικοινωνία εφαρµογών ●  Μοντέλο πελάτη/διακοµιστή (client/server). –  Ένας διακοµιστής, πολλοί πελάτες –  Ο διακοµιστής (server) πρέπει να τρέχει συνεχώς (περιµένει πελάτες να συνδεθούν) –  Ο πελάτης αρχικοποιεί την επικοινωνία ●  Οµότιµο µοντέλο (peer-to-peer). –  Οι διεργασίες (εφαρµογές) επικοινωνούν ως ισότιµες. –  Οι διεργασίες εκτελούνται σε προσωρινή βάση. –  Δηµοφιλές µέσο για την ανταλλαγή αρχείων µέσω του Διαδικτύου. Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 24 Το µοντέλο πελάτη/διακοµιστή Client – Server model Server Client FTP Email (SMTP) Web VoIP (SIP) SSH ….. Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 25 Το µοντέλο πελάτη/διακοµιστή συγκρινόµενο µε το οµότιµο µοντέλο Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 26 Σύνδεση µε εφαρµογές Πλήρης διεύθυνση διαδικασίας = [IP address , port #] client Web server ports (θύρες = “εσωτερικά γραµµατοκιβώτια γραφείων”) … 12 80 IP … client C: N3,n IP address N1 server A: διεύθυνση = N1,k port k = υποδιεύθυνση port n N3 “κεντρικό γραµµατοκιβώτιο κτηρίου” = IP address IP network N2 server Β: διεύθυνση = N2,m port m Servers: παρέχουν υπηρεσίες, ακούν σε γνωστές υπο-διευθύνσεις Clients: συνδέονται στους servers, παίρνουν την πληροφορία, την παρουσιάζουν στους χρήστες Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 27 Ηλεκτρονική αλληλογραφία ●  Το e-mail είναι ένα σύστηµα για την µεταφορά µηνυµάτων µεταξύ των χρηστών του Διαδικτύου. ●  Ο διακοµιστής αλληλογραφίας (mail server) εξυπηρετεί τους υπολογιστές µίας περιοχής. –  Η αποστολή ενός mail µέσα στην περιοχή γίνεται µέσω του διακοµιστή αλληλογραφίας. –  Η λήψη ενός mail στην περιοχή γίνεται στον διακοµιστή αλληλογραφίας. –  Το mail παραλαµβάνεται έπειτα από αίτηση του χρήστη, βάσει των πρωτοκόλλων: ●  POP3 ●  IMAP ●  WWW Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 28 Electronic mail mail to [email protected] from [email protected] Send an email message Access the mail server for messages mail server mail server SMTP SMTP 25 25 user agent (Alice) (MS Outlook) smtp.aueb.gr Port 25 Sending an message: Simple Mail Transfer Protocol 143 IMAP user agent (Jane) (Firefox) smtp.ntua.gr, imap.ntua.gr Port 25 port 143 Receiving emails: POP3: port 110, memory less IMAP: port 143, memory http: only a browser is required to send and receive (webmail, hotmail,…) Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 29 File Transfer Protocol ftp client control connection port 21 ftp server 21 20 data connection port 20 (one per file) τοπικό σύστηµα αρχείων µακρινό σύστηµα αρχείων Control: user id, list, chdir, put, get, ... Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» 30 World Wide Web www client (browser) web server HTTP, port 80 http request 80 http response www.aueb.gr HTML Υλοποίηση ιστού Web browser: παρουσιάζει έγγραφα στον χρήστη, γραµµένα σε HTML Web server: αποθηκεύει ή δηµιουργεί πληροφορία, στέλνει έγγραφα σε HTML HTTP: πρωτόκολλο επικοινωνίας web browser – web server HTML: γλώσσα για την σύνταξη εγγράφων που καταλαβαίνει ο browser URL: Σύνταξη µοναδικών διευθύνσεων εγγράφων στον ιστό Υπολογιστής υπηρεσίας Πρωτόκολλο προσπέλασης Διεύθυνση αρχείου Κεφάλαιο 4: «Δικτύωση και Διαδίκτυο» Όνοµα αρχείου 31