Δίκτυα υπολογιστών

Δίκτυα υπολογιστών fouskas.pdf 1.3 MB

[Πρέπει να είστε εγγεγραμμένοι και συνδεδεμένοι για να δείτε αυτή την εικόνα.]



∆ίκτυα Yπολογιστών I
Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιμέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειμένων σύμφωνα με τη Μεθο- δολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστημονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραμ- μάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδημαϊκοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.
ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ
Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας
Πρόγραμμα Σπουδών
ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ
Θεματική Eνότητα
BΑΣΙΚΑ ΖΗΤΗΜΑΤΑ ∆ΙΚΤΥΩΝ Η/Υ
Tόμος Γ'
∆ίκτυα Yπολογιστών I
ΓΙΩΡΓΟΣ ΦΟΥΣΚΑΣ
Eιδικός Λειτουργικός Eπιστήμονας ITE – EIXHMYΘ
ΠATPA 2002
ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ
Σχολή Θετικών Επιστημών και Τεχνολογίας
Πρόγραμμα Σπουδών
ΠΛHPOΦOPIKH
Θεματική Ενότητα
BAΣIKA ZHTHMATA ∆IKTYΩN H/Y
Τόμος Γ'
∆ίκτυα Yπολογιστών I
Συγγραφή
ΓIΩPΓOΣ ΦOYΣKAΣ
Eιδικός Λειτουργικός Eπιστήμονας ITE – EIXHMYΘ
Κριτική Ανάγνωση
KΩNΣTANTINOΣ ΠAΠAN∆PEOY ∆ιδάκτωρ Tηλεπληροφορικής
∆ρ ΦΩTHΣ ΛIOTOΠOYΛOΣ Mηχανικός H/Y & Πληροφορικής
∆ρ MIXAHΛ ΠAPAΣKEYAΣ Hλεκτρολόγος Mηχανικός & Tεχνολογίας Yπολογιστών
Ακαδημαϊκός Υπεύθυνος για την επιστημονική επιμέλεια του τόμου
ΠAYΛOΣ ΣΠYPAKHΣ
Kαθηγητής Tμήματος Mηχανικών H/Y & Πληροφορικής Πανεπιστημίου Πατρών
Επιμέλεια στη μέθοδο της εκπαίδευσης από απόσταση
IΩANNHΣ KOYTΣONIKOΣ
Γλωσσική Επιμέλεια
PΩΞANH KATΣH
Τεχνική Επιμέλεια, Καλλιτεχνική Επιμέλεια, Σελιδοποίηση
TYPORAMA
Συντονισμός ανάπτυξης εκπαιδευτικού υλικού και γενική επιμέλεια των εκδόσεων
ΟΜΑ∆Α ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΕΡΓΟΥ ΕΑΠ / 2002
ISBN: 960–538–468–X Kωδικός Έκδοσης: ΠΛH 22/3
Copyright 2000 για την Ελλάδα και όλο τον κόσμο
ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ
Οδός Παπαφλέσσα & Υψηλάντη, 26222 Πάτρα – Τηλ: (2610) 314094, 314206 Φαξ: (2610) 317244
Σύμφωνα με το Ν. 2121/1993, απαγορεύεται η συνολική ή αποσπασματική αναδημοσίευση του βιβλίου αυτού ή η αναπαραγωγή του με οποιοδήποτε μέσο χωρίς την άδεια του εκδότη.
 

Σκοπός, Προσδοκώμενα αποτελέσματα, Έννοιες κλειδιά,
Eισαγωγικές παρατηρήσεις .................................................................................................................................... 13
1.1 ∆ικτυακές εφαρμογές
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 15
1.1.1. O Παγκόσμιος Iστός (WWW) ........................................................................................... 15 1.1.2 Εφαρμογές των δικτύων Η/Υ – Μια συνοπτική παρουσίαση ................. 16 1.1.3 Εφαρμογές στα μελλοντικά δίκτυα Η/Υ .................................................................... 18
1.2 ∆ιασυνδεσιμότητα
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 19
1.2.1 Σύνδεσμοι και κόμβοι ................................................................................................................ 20
1.2.2 ∆ίκτυα μεταγωγής ......................................................................................................................... 20
1.2.3 ∆ίκτυα μεταγωγής κυκλώματος ........................................................................................ 21
1.2.4 ∆ίκτυα μεταγωγής πακέτων – Μετάδοση με αποθήκευση
και προώθηση .................................................................................................................................... 22
1.2.5 ∆ιευθυνσιοδότηση και ∆ρομολόγηση .......................................................................... 23
1.2.6 ∆ίκτυα μεταγωγής πακέτων με ιδεατά κυκλώματα .......................................... 24
1.2.7 ∆ίκτυα μεταγωγής με αυτοδύναμα πακέτα .............................................................. 24
1.2.8 Χαρακτηρισμός των δικτύων ως προς την έκτασή τους .............................. 26
1.3 ∆ιαμοιρασμός πόρων
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 26
1.3.1 Πολύπλεξη χρόνου και πολύπλεξη συχνοτήτων ................................................. 27
1.3.2 Στατιστική πολύπλεξη ................................................................................................................ 28
1.4 Αξιοπιστία μεταφοράς
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 30 1.4.1 Αιτίες των σφαλμάτων μεταφοράς ................................................................................. 30 1.4.2 Μηχανισμοί εντοπισμού και αντιμετώπισης

6

1.5
σφαλμάτων μεταφοράς .............................................................................................................. 31 1.4.3 ∆είκτης αξιόπιστης μεταφοράς .......................................................................................... 32
Απόδοση δικτύου
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 33
1.5.1 ∆ιαμετακομιστική Ικανότητα .............................................................................................. 33 1.5.2 Καθυστέρηση Μεταφοράς ..................................................................................................... 34 1.5.3 Χαρακτηρισμός της απόδοσης δικτύου ...................................................................... 35
Σύνοψη κεφαλαίου......................................................................................................................................................... 37 Bιβλιογραφία ..................................................................................................................................................................... 38

Σκοπός, Προσδοκώμενα αποτελέσματα, Έννοιες κλειδιά,
Eισαγωγικές παρατηρήσεις .................................................................................................................................... 39
2.1 Αρχιτεκτονικές δικτύων σε επίπεδα
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 41
2.1.1 ∆ιαστρωμάτωση και πρωτόκολλα ................................................................................... 43
2.1.2 Ενθυλάκωση ....................................................................................................................................... 47
2.2 Το μοντέλο αναφοράς OSI
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 49 2.2.1 Το Φυσικό Επίπεδο ....................................................................................................................... 51 2.2.2 Το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδομένων ................................................................................... 51 2.2.3 Το Επίπεδο ∆ικτύου ..................................................................................................................... 52 2.2.4 Το Επίπεδο Μεταφοράς ............................................................................................................ 53 2.2.5 Το Επίπεδο Συνόδου .................................................................................................................... 54 2.2.6 Το Επίπεδο Παρουσίασης ....................................................................................................... 55 2.2.7 Το Επίπεδο Εφαρμογής ............................................................................................................. 55
2.3 Η αρχιτεκτονική του ∆ιαδικτύου
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 57

7
2.3.1 Το Επίπεδο Πρόσβασης ∆ικτύου ...................................................................................... 58 2.3.2 Το Επίπεδο ∆ικτύου ..................................................................................................................... 59 2.3.3 Το Επίπεδο Μεταφοράς ............................................................................................................ 59 2.3.4 Το Επίπεδο Εφαρμογής ............................................................................................................. 60
Σύνοψη κεφαλαίου......................................................................................................................................................... 61 Bιβλιογραφία ..................................................................................................................................................................... 63

Σκοπός, Προσδοκώμενα αποτελέσματα, Έννοιες κλειδιά,
Eισαγωγικές παρατηρήσεις .................................................................................................................................... 65
3.1 Πλαισίωση
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 68
3.1.1 Πρωτόκολλα πλαισίωσης με οργάνωση ανά byte ............................................. 69 3.1.2 Πρωτόκολλα πλαισίωσης με οργάνωση ανά bit .................................................. 72 3.1.3 Πρωτόκολλα πλαισίωσης βασισμένα σε καθολικό ρολόι ........................... 73
3.2 Εντοπισμός σφαλμάτων
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 77
3.2.1 Έλεγχος κυκλικού πλεονασμού ......................................................................................... 78
3.3 ∆ιόρθωση σφαλμάτων
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 83 3.3.1 Γραμμικοί κώδικες δέσμης .................................................................................................... 84 3.3.2 ∆υνατότητες διόρθωσης σφαλμάτων ............................................................................ 85 3.3.3 Η λειτουργία της κωδικοποίησης ..................................................................................... 87 3.3.4 ∆ιόρθωση σφαλμάτων με Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης .................................... 88
Σύνοψη κεφαλαίου......................................................................................................................................................... 93 Bιβλιογραφία ..................................................................................................................................................................... 95

8

Σκοπός, Προσδοκώμενα αποτελέσματα, Έννοιες κλειδιά,
Eισαγωγικές παρατηρήσεις .................................................................................................................................... 97
4.1 Βασικές αρχές στην επανεκπομπή πλαισίων
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................... 99
4.1.1 Η επιβεβαίωση λήψης και ο χρόνος προθεσμίας ................................................ 99 4.1.2 Η αρίθμηση των πλαισίων .................................................................................................. 101 4.1.3 Η αρίθμηση στις επιβεβαιώσεις λήψης .................................................................... 102 4.1.4 Η απόδοση ενός πρωτοκόλλου επανεκπομπής .................................................. 103
4.2 Το πρωτόκολλο εναλλασσομένου bit
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................ 105
4.2.1 Ο τρόπος λειτουργίας του πρωτοκόλλου ABP .................................................. 105 4.2.2 Η απόδοση του πρωτοκόλλου ABP ............................................................................ 106 4.2.3 Το πρωτόκολλο XMODEM ............................................................................................... 110
4.3 Το πρωτόκολλο οπισθoχώρησης κατά N
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................ 112
4.3.1 Ο τρόπος λειτουργίας του πρωτοκόλλου GO BACK N ............................ 112
4.3.2 Η απόδοση του πρωτοκόλλου GO BACK N ...................................................... 115
4.3.3 Εφαρμογή της τεχνικής GBN
στα δημόσια δίκτυα δεδομένων Χ.25 ........................................................................ 118
4.4 Το πρωτόκολλο επιλεκτικής επανάληψης
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................ 120
4.4.1 Ο τρόπος λειτουργίας του πρωτοκόλλου SRP ................................................... 121
4.4.2 Η απόδοση του πρωτοκόλλου SRP ............................................................................. 124
Σύνοψη κεφαλαίου...................................................................................................................................................... 126 Bιβλιογραφία .................................................................................................................................................................. 128


Σκοπός, Προσδοκώμενα αποτελέσματα, Έννοιες κλειδιά,
Eισαγωγικές παρατηρήσεις ................................................................................................................................ 129
5.1 Η αρχιτεκτονική των τοπικών δικτύων
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................ 132
5.1.1 Τα πρωτόκολλα LAN και το μοντέλο αναφοράς OSI ................................. 132 5.1.2 Τοπολογίες τοπικών δικτύων ............................................................................................ 134 5.1.3 Μηχανισμοί ελέγχου προσπέλασης του φυσικού μέσου .......................... 136 5.1.4 Μέθοδοι μετάδοσης στα τοπικά δίκτυα ................................................................... 139
5.2 ∆ίκτυα IEEE 802.3 (Ethernet)
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................ 141
5.2.1 Κατηγορίες δικτύων 802.3 .................................................................................................. 142 5.2.2 Το υποεπίπεδο MAC ................................................................................................................ 143 5.2.3 Υλοποίηση δικτύων Ethernet με μεταγωγείς ...................................................... 147 5.2.4 Ιδεατά τοπικά δίκτυα (VLANs) ...................................................................................... 149
5.3 ∆ίκτυα δακτυλίου με κουπόνι
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................ 153
5.3.1 Ο τρόπος λειτουργίας του δακτυλίου με κουπόνι ........................................... 154
5.3.2 Το υποεπίπεδο MAC ................................................................................................................ 156
5.4 ∆ίκτυα FDDI
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................ 160 5.4.1 Ο τρόπος λειτουργίας του FDDI .................................................................................... 161 5.4.2 Το υποεπίπεδο MAC ................................................................................................................ 162
5.5 Ασύρματα τοπικά δίκτυα 802.11
Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................ 168
5.5.1 Ο τρόπος λειτουργίας του 802.11 ................................................................................. 170
5.5.2 Το υποεπίπεδο MAC ................................................................................................................ 174
5.6 Επίπεδο Eλέγχου Λογικής Σύνδεσης

10

Προσδοκώμενα αποτελέσματα ........................................................................................................ 176 5.6.1 Τύποι υπηρεσιών ......................................................................................................................... 177 5.6.2 Η μορφή του πλαισίου LLC .............................................................................................. 178
Σύνοψη κεφαλαίου...................................................................................................................................................... 179 Bιβλιογραφία .................................................................................................................................................................. 181
Aπαντήσεις Aσκήσεων Aυτοαξιολόγησης ............................................................................................... 183 Ενδεικτικές Απαντήσεις ∆ραστηριοτήτων .............................................................................................. 213
Γλωσσάρι όρων............................................................................................................................................................. 221

Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας στο χώρο των τηλεπικοινωνιών δυσκολεύει τη συγγραφή ενός βιβλίου για τα δίκτυα υπολογιστών, καθώς το περιεχόμενό του μπο- ρεί πολύ σύντομα να γίνει ανεπίκαιρο. Σε αυτό το εισαγωγικό βιβλίο περιγράφουμε τις βασικές αρχές λειτουργίας και σχεδίασης δικτύων Η/Υ, προβάλλοντας, όπου υπάρχουν, πραγματικά και επιτυχημένα παραδείγματα. Σκοπός του είναι να βοηθή- σει τον αναγνώστη να αποκτήσει το αναγκαίο υπόβαθρο γνώσης για την κατανόη- ση των δικτύων υπολογιστών και της συντελούμενης εξέλιξής τους.
Το βιβλίο αυτό αποτελεί μέρος του εκπαιδευτικού υλικού (3ος Τόμος) της Θεματι- κής Ενότητας «Βασικά Ζητήματα ∆ικτύων Η/Υ», του Προγράμματος Σπουδών «Πλη- ροφορική» του Ε.Α.Π., και συμπληρώνεται με τον τόμο «∆ίκτυα Υπολογιστών ΙΙ». Έχει γραφτεί με τρόπο κατάλληλο για εξ ́ αποστάσεως εκπαίδευση, ορίζοντας με σαφήνεια τους στόχους και τα προσδοκώμενα αποτελέσματα των Κεφαλαίων και των επιμέρους Ενοτήτων και εμπλουτίζοντας το κείμενο με Παραδείγματα, Ασκή- σεις αυτοαξιολόγησης και ∆ραστηριότητες.
Οργάνωση του Βιβλίου
Στο 1ο Κεφάλαιο περιγράφουμε τις γενικές απαιτήσεις που θα πρέπει να ικανοποι- εί ένα δίκτυο υπολογιστών, έτσι ώστε να μπορεί να υποστηρίξει ένα τυπικό σύνολο δικτυακών εφαρμογών. Αρχικά κάνουμε μία συνοπτική αναφορά σε δημοφιλείς εφαρμογές δικτύου και στη συνέχεια επεξηγούμε μερικούς βασικούς όρους και τεχνι- κές όπως π.χ. μεταγωγή κυκλώματος και πακέτων, διευθυνσιοδότηση και δρομολό- γηση, πολύπλεξη, απόδοση δικτύου, κ.ά.
Για να ελαττώσουμε το βαθμό πολυπλοκότητας στη σχεδίαση, οργανώνουμε τα δίκτυα σε σειρές από στρώματα ή επίπεδα και στα αντίστοιχα πρωτόκολλά τους. Στο 2ο Κεφάλαιο του βιβλίου εξηγούμε αρχικά την ανάγκη και τα πλεονεκτήματα αυτής της διαστρωμάτωσης και κατόπιν παρουσιάζουμε τις βασικές ιδέες της αρχιτεκτο- νικής δικτύων υπολογιστών. Στη συνέχεια, περιγράφουμε το μοντέλο αναφοράς για τη διασύνδεση ανοικτών συστημάτων OSI και την αρχιτεκτονική του ∆ιαδικτύου.
Στο 3ο Κεφάλαιο παρουσιάζουμε τα κύρια πρωτόκολλα πλαισίωσης της πληροφο- ρίας, τα οποία κατατάσσουμε σε τρεις κατηγορίες: στα πρωτόκολλα όπου το πλαί- σιο θεωρείται ως ένα σύνολο από bytes, σε αυτά που το πλαίσιο θεωρείται ως μία συλλογή από bits και, τέλος, σε αυτά όπου η πλαισίωση βασίζεται σε ένα καθολικό
στον Κωνσταντούλα...
12

ρολόι που λειτουργεί σε όλο το εύρος του δικτύου. Κατόπιν, περιγράφουμε τον έλεγ- χο κυκλικού πλεονασμού, ως τον χαρακτηριστικότερο και πλέον ευρέως χρησιμο- ποιούμενο μηχανισμό εντοπισμού σφαλμάτων μεταφοράς. Στο 3ο Κεφάλαιο κατα- λήγουμε με τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες των γραμμικών κωδίκων δέσμης, μία βασική τεχνολογία για την αυτόματη διόρθωση των σφαλμάτων μεταφοράς κατά την άφιξη των πλαισίων πληροφορίας στον τελικό παραλήπτη.
Στο 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζουμε αρχικά κάποιες βασικές αρχές που πρέπει να ακο- λουθούν οι διαδικασίες επανεκπομπής πλαισίων και στη συνέχεια περιγράφουμε εκτενώς τρία ευρέως χρησιμοποιούμενα πρωτόκολλα επανεκπομπής πλαισίων, τα οποία μας εξασφαλίζουν μία αξιόπιστη μετάδοση, απαλλαγμένη από σφάλματα μετα- φοράς, πάνω από ένα αναξιόπιστο κανάλι επικοινωνίας. Σε καθένα από αυτά εξη- γούμε τον τρόπο λειτουργίας του και αναλύουμε την αποδοτικότητά του, δίνοντας παράλληλα και κάποια χαρακτηριστικά παραδείγματα υλοποίησής του.
Στο 5ο Κεφάλαιο ασχολούμαστε με τα τοπικά δίκτυα υπολογιστών. Αρχικά παρου- σιάζουμε την αρχιτεκτονική και τα γενικά χαρακτηριστικά των τοπικών δικτύων, επικεντρώνοντας την προσοχή μας στις τοπολογίες τοπικών δικτύων, στον έλεγχο προσπέλασης του φυσικού μέσου και στις μεθόδους μετάδοσης. Στη συνέχεια περι- γράφουμε αναλυτικά τους τέσσερις τύπους τοπικών δικτύων που έχουν καθολικά επικρατήσει στην αγορά. Αυτά είναι τα ενσύρματα δίκτυα Ethernet/IEEE 802.3, ∆ακτυλίου με Κουπόνι/IEEE 802.5 και FDDI και τα ασύρματα δίκτυα IEEE 802.11.
Ευχαριστίες
Από τη θέση αυτή θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσοι συνέβαλαν, ο καθένας με το δικό του τρόπο, στην παραγωγή και την ολοκλήρωση αυτού του βιβλίου.
Ειδικότερα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους κ.κ. Κωνσταντίνο Παπανδρέου, Φώτη Λιοτόπουλο, Μιχάλη Παρασκευά και Ιωάννη Κουτσονίκο για την εξαντλητική κριτι- κή ανάγνωση του κειμένου, τα εύστοχα σχόλια και τις χρήσιμες υποδείξεις που ανέ- πτυξαν, και τον κ. Παύλο Σπυράκη, Ακαδημαϊκό Υπεύθυνο της Θ.Ε., για τη θεματι- κή καθοδήγησή του. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την κα ∆ήμητρα Παρασκευο- πούλου για τη φιλική της στάση, την υπομονή της και τη βοήθεια που απλόχερα μου προσέφερε σε όλα τα στάδια συγγραφής αυτού του κειμένου.
Γιώργος Κ. Φούσκας
Μάιος 2002

Thank you!!