Τμήμα Αυτοματισμού ΤΕΙ Πειραιά Μάθημα: Δίκτυα...

1

ΤΕΙ ΠειραιάΤμ. Αυτοματισμού

Ενότητα Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής

Τμήμα ΑυτοματισμούΤΕΙ ΠειραιάΜάθημα: Δίκτυα Υπολογιστών

Διδάσκων: Ι. Δ. Αγγελόπουλος, PhD, Msc

2


Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής

1-1. Εισαγωγικά

•Η διασύνδέση υπολογιστών σε τρόπο ώστε να μπορούν να ανταλλάσσουν πληροφορίες μεταξύ τους δημιουργεί ένα δίκτυο.•Σήμερα τα δίκτυα δεδομένων επηρεάζουν κάθε ανθρώπινη δραστηριότητα στην παραγωγή, διασκέδαση, εκπαίδευση•Τα δεδομένα που ανταλλάσσονται είναι προγράμματα, φωνή, τραγούδια, εικόνες, βίντεο κλπ.•Τα δίκτυα δεδομένων δημιουργούν νέες μορφές επικοινωνίας και οργάνωσης και δημιουργούν νέες υπηρεσίες προστιθέμενης αξίας (π.χ. ηλεκτρονικό εμπόριο, τηλε-εκπαίδευση, διανομή ταινιών, τηλε-διάσκεψη κλπ.

3



1-2. Δίκτυα πακέτων

Τα δίκτυα δεδομένων λειτουργούν με μεταγωγή πακέτων σε αντίθεση με την παραδοσιακή τηλεφωνία που χρησιμοποιεί δίκτυα μεταγωγής κυκλωμάτωνΤα πακέτα είναι μονάδες πληροφορίας που μπορούν να: αριθμηθούν (επιτρέποντας να γίνουν αντιληπτές απώλειες από ελλείποντες αριθμούς σειράς) ελεγχθούν για αλλοιώσεις bit με αλγόριθμους ανίχνευσης λαθών αναμεταδοθούν όταν διαπιστώνονται τα ανωτέρω πολυπλεχθούν στο ίδιο κανάλι για οικονομία

4



1-3. Βασικές έννοιες

•Χρόνος διάδοσης πακέτου (propagation time): Ο χρόνος που απαιτείται για να ταξιδέψει το σήμα από τον πομπό μέχρι τον δέκτη •Χρόνος μετάδοσης πακέτου (transmiaaion time): Ο χρόνος που απαιτείται για να αλλάξει η διαμόρφωση τόσες φορές όσα τα σύμβολα του πακέτου. •Χρόνος αναμονής (queueing time): Τα πακέτα τοποθετούνται σε ταμιευτήρες (buffers) ενόσω αναμένουν την σειρά τους σε μεταγωγείς/δρομολογητές ή τερματικά•Χρόνος επεξεργασίας (processing time): Ο χρόνος για την επεξεργασία της επικεφαλίδος και του πακέτου στους κόμβους και τα τερματικά

5



1-4. Τεχνικές Μεταγωγής

Στην μεταγωγή κυκλωμάτων πρέπει πρώτα να δημιουργηθεί ένα κύκλωμα από τον αποστολέα μέχρι τον παραλήπτη με προγραμματισμό των ενδιάμεσων κόμβων. Ακολουθεί η αποστολή πληροφορίας μέσω του έτοιμου κυκλώματος (χωρίς χρήση διεύθυνσης προορισμού) Τέλος, όταν ολοκληρωθεί η ροή, το κύκλωμα ξηλώνεται Στη μεταγωγή πακέτων (δεδομενογραμμάτων) δεν απαιτείται δημιουργία κυκλώματος. Κάθε πακέτο δρομολογείται αυτοτελώς (πρέπει να έχει πλήρη διεύθυνση) Στη υβριδική τεχνική μεταγωγής νοητών κυκλωμάτων, γίνεται εγκατάσταση νοητού κυκλώματος και μερική χρήση πεδίου διευθύνσεων προορισμού.

6



2-1. Τυπικά στοιχεία δικτύου

A

F

E

D

CB

M

LK

A

F

E

D

CB

M

LK

7



2-2. Συνιστώσες δικτύων

• Τερματικές συσκευές (terminal equipment) συνήθως υπολογιστές ή τερματικά χαρακτήρων (πρβλ. τηλέφωνα). ΄Στα τοπικά δλικτυα συνηθίζεται και ο όρος σταθμοί

• Ζεύξεις (links). Οι ζεύξεις παρέχουν κανάλια επικοινωνίας βασισμένα σε ενσύρματα ή ασύρματα, οπτικά ή ηλεκτρικά μέσα. Περιλαμβάνουν τους τερματιστές γραμμής που βρίσκονται στα δύο άκρα μιας ζεύξης και περιέχουν τους πομποδέκτες και τα ηλεκτρονικά που εκτελούν τα πρωτόκολλα ζεύξης. Ενώνουν κόμβους μεταξύ τους καθώς και τερματικά προς στους κόμβους.

• Κόμβους (nodes) δηλ. μεταγωγείς (switches) ή δρομολογητές (routers). Είναι τα σημεία όπου επιλέγεται η διαδρομή του πακέτου.

8



2-3. Αρχή λειτουργίας μεταγωγέα

8x88x8

• Τα στοιχεία του μεταγωγέα διατάσσονται (ανοικτά-κλειστά) για την διάρκεια ζωής του κυκλώματος (στη μεταγωγή κυκλώματος) ή για κάθε πακέτο μόνο (στη μεταγωγή πακέτων ή νοητών κυκλωμάτων)

9



2-4. Πολύπλεξη πακέτων

• Βασικό πλεονέκτημα των δικτύων πακέτων είναι η δυνατότητα πολύπλεξης, δηλ. η δυνατότητα στο ίδιο κανάλι να αποστέλλονται πακέτα με διαφορετικές προελεύσεις και προορισμούς όπως ακριβώς σε ένα αυτοκινητόδρομο συναντώνται αυτοκίνητα με διαφορετικές προελεύσεις και προορισμούς και συνταξιδεύουν μόνο σε ένα τμήμα διαδρομής

• Τα πακέτα διαχωρίζονται στο κόμβο βάσει των διαφορετικών διευθύνσεων που φέρουν και έτσι οδηγούνται στο σωστό προορισμό χωρίς την σπατάλη της αποκλειστικής χρήσης του καναλιού (όπως στα δίκτυα κυκλωμάτων).

• Η πολύπλεξη οδηγεί σε πολύ μεγάλη εξοικονόμηση πόρων.

10



2-5. Σχηματική παράσταση πολυπλέκτη

A. Σχηματική αναλογία πολυπλέκτη πακέτων 4 εισόδων και Β. Σύμβολο πολυπλέκτη

11


Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής11

ΠολυπλέκτηςΕίσοδοι

Εξοδος

Συνολικός στιγμιαίος ρυθμός αφίξεων

12



• Η τυποποίηση είναι κεφαλαιώδους σημασίας στα δίκτυα ώστε να συνεργάζονται συσκευές διαφόρων κατασκευαστών • Τα πρότυπα καλύπτουν κάθε λεπτομέρεια, ηλεκτρική, μηχανική, χρονισμού, κώδικα, κάθε σήματος βύσματος κλπ • Ωστόσο ένα γενικό πρότυπο-ομπρέλλα που δίνει την γενική αρχιτεκτονική των δικτύων δεδομένων χωρίς να μπαίνει σε λεπτομέρειες είναι το μοντέλο OSI που ταξινομεί όλες τις λειτουργίες των δικτύων σε 7 στρώματα (ιδέ επόμενο σχήμα)• Η κάθε οντότητα δικτύου παρέχει υπηρεσίες στο άνω ευρισκόμενο στρώμα και εκτελεί ένα πρωτόκολλο με την απέναντι ομότιμη οντότητα του ιδίου στρώματος

3-1. Μοντέλο στρωμάτωσης OSI

13



3-2. Τα 7 στρώματα OSI

Presentation

AP ‘X’ AP ‘Y’

Application

Session

Transport

Network

Data link

Pysical

AP data

AP data

Data unit

Data unit

Data unit

Data unit

Data unit (1 field) F A C FCS F

Bits

Outgoing frameconstruction

Incoming framereduction

Application

Presentation

Session

Transport

Network

Data link

Physical

Network

TH

NH

SH

PH

AH

Physical transmission media

14



3-3.Λειτουργίες κάθε στρώματος

• 1ο (φυσικό στρώμα). Αναλαμβάνει την αποστολή bits (δηλ. όταν αποστέλλει 1 ή 0 ο πομπός να αντιλαμβάνεται 1 ή 0 ο δέκτης).• 2ο (στρώμα ζεύξης). Αναλαμβάνει την οριοθέτηση πακέτων, ανίχνευση & διόρθωση λαθών μετάδοσης, διαχείριση ζεύξης.• 3ο (στρώμα δικτύου). Η κυριότερη λειτουργία του είναι η μεταγωγή (δρομολόγηση)• 4ο (στρώμα μεταφοράς). Λειτουργεί μεταξύ των τερματικών σταθμών και ελέγχει για λάθη μετάδοσης ή μεταγωγής.• 5ο (στρώμα συνόδου). Παρακολουθεί την εξέλιξη των ανταλλαγών πληροφορίας• 6ο (στρώμα παρουσίασης). Χειρίζεται τις κωδικοποιήσεις πληροφορίας• 7ο (στρώμα εφαρμογών). Χειρίζεται τις εφαρμογές, η ορθή λειτουργία των οποίων είναι ο λόγος ύπαρξης και των 6 άλλων στρωμάτων αλλά και όλου του δικτύου (π.χ. Web browsing, e-mail, ftp, tele-conferencing)

15



4-1. Φυσικό Στρώμα

• Το φυσικό στρώμα έχει αποστολή στην ψηφιακή μετάδοση να αποστέλλει σωστά τα δυαδικά ψηφία (bits)• Δεν είναι ωστόσο εφικτό να σταλλούν σωστά το 100% των ψηφίων, αφού εμφανίζονται αναπόφευκτα σφάλματα λόγω θορύβου από διάφορα αίτια και μάλιστα πολλάκις τα σφάλματα είναι κατά ριπάς (burst errors) δηλ. αφορούν πολλά συνεχόμενα bits.• Το ποσό των λανθασμένων επί του συνόλου των αποσταλλέντων ψηφίων λέγεται ρυθμός σφαλμάτων (bit error rate = BER) και αποτελεί τη χαρακτηριστικότερη παράμετρο του συστήματος μετάδοσης

16



4-2. BER ζεύξεων

Το φυσικό στρώμα χρησιμοποιεί ποικιλία μέσων μετάδοσης . Τα κυριότερα είναι:• Το στριμμένο ζευγάρι με BER περίπου 10-3-10-5

• Ασύρματες κινητές ζεύξεις με BER 10-3-10-4

• Ασύρματες κατευθυντικές ζεύξεις με BER 10-5-10-6

• Ομοαξονικές ζεύξεις με BER 10-5-10-6

• Οπτικές ζεύξεις με BER 10-7-10-9

• Υπηρεσίες φωνής και βίντεο αρκούνται σε BER 10-4, ωστόσο δεδομένα λογισμικού απαιτούν BER 10-15

17



4-3. Baud-Bit rate

Η μετάδοση των δεδoμένων γίνεται με αλλαγές στην διαμόρφωση της γραμμής (π.χ. αλλαγή τάσης ή συχνότητας ή φάσης). • Κάθε διαμόρφωση αντιστοιχίζεται με ένα σύμβολο που μπορεί να είναι ένα bit (0 ή 1) ή συνδυασμός πολλών bit:• Ο ρυθμός αλλαγής συμβόλων διαμόρφωσης στην γραμμή ονομάζεται baud rate.• Αν κάθε bit συμπίπτει με ένα σύμβολο, τότε το bit rate ισούται με το baud• Αν Χ bits αντιστοιχούν σε κάθε σύμβολο, τότε το bit rate ισούται Χ φορές το baud

18



4-3. Baud-Bit

19



• Το στρώμα ζεύξης έχει αποστολή να υλοποιεί αξιόπιστες ενδιάμεσες ζεύξεις, δηλ. οι οποίες ανιχνεύουν και διορθώνουν τα σφάλματα λόγω θορύβων του φυσικού στρώματος• Το πιο διαδεδομένο πρωτόκολλο ζεύξης είναι το HDLC (High Level Data-Link Contol) με τις πολλές παραλλαγές του: SDLC, LAPB, LLC, PPP κλπ.• Ο μορφότυπός του φαίνεται στην επόμενη διαφάνεια.• Η σημαία οριοθετεί την αρχή και το τέλος των πλαισίων.• Το πεδίο FCS (Frame Check Sequence) χρησιμεύει για ανίχνευση λαθών.• Το πεδίο ελέγχου διεκπεραιώνει τις κύριες λειτουργίες.

5-1. Στρώμα ζεύξης

20



5-2. Πρωτόκολλο HDLC/LAPB

Το πεδίο ελέγχου χαρακτηρίζει τον τύπο πλαισίου ανάμεσα σε 3 πλαίσια:• πληροφορίας (που περιέχουν το φορτίο χρήστη)• επίβλεψης (που ελέγχουν τις λειτουργίες του πρωτοκόλλου)• μη-αριθμημένα (για αρχικοποιήσεις ή έκτακτες καταστάσεις)Περιλαμβάνει αρίθμηση πλαισίων με το N(S) για ανίχνευση απωλειών πλαισίων και επιστροφή επιβεβαιώσεων ότι τα πλαίσια έφθασαν κανονικά με το N(R) Τα Bit SS κωδικοποιούν 3 τύπους πλαισίων επίβλεψης:• RR (Receiver Ready)• RNR (Receiver Not Ready)• REJ (Reject)

21



5-3. Φόρμα HDLC/LAPB

0 1 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 N(S) P N(R)

1 0 P/F S S N(R)

1 1 P/F M M M M M

0 = Polling

1 = Final

(Command)

(response)

Info frame

Supervisory

Un-numbered

Flag Flag Address Control Field Data FCS

Header (Επικεφαλίδα) Tail (Ουρά)

1 byte 1 byte 1 byte 0-131 bytes 2 bytes 1 byte

22



• Όταν το FCS ανιχνεύει αλλοίωση πλαισίου, το πλαίσιο απορρίπτεται, αλλιώς το πλαίσιο επιβεβαιώνεται στέλνοντας τον αριθμό του στο πεδίο N(R) κάποιου πλαισίου που κινείται κατά την άλλη κατεύθυνση.• Εάν γίνει αντιληπτή απώλεια (π.χ. αφιχθεί το επόμενο N(S), τότε ο δέκτης στέλνει REJ με τον ελλείποντα αριθμό N(S) και ο πομπός ξαναστέλνει το πλαίσιο• Ομοίως εάν μετά κάποιο χρόνο Τ1 δεν έχει έλθει επιβεβαίωση, το πλαίσιο ξαναστέλνεται ως απωλεσθέν. • Με αυτό τον τρόπο το HDLC μπορεί να ελαττώσει το BER (π.χ. πάνω από ένα φυσικό στρώμα με BER=10-5 να επιτύχει τελικό BER =10-12.

5-3. Διόρθωση λαθών

22

23



5-4. Παράθυρο ολίσθησης

• Μια απλή τακτική για αξιόπιστη ζεύξη είναι η STOP&WAIT: με την αποστολή ενός πλαισίου ο πομπός περιμένει την επιβεβαίωση πριν στείλει το επόμενο. Η τακτική αυτή είναι απλή αλλά δεν είναι αποδοτική.• Για καλύτερη απόδοση το HDLC χρησιμοποιεί άλλη τακτική και συνεχίζει να στέλνει μέχρι Ν πλαίσια χωρίς να περιμένει επιβεβαιώσεις. • Α τακτική αυτή λέγεται GO-BACK-N, διότι εάν τελικά δεν υπάρξει επιβεβαίωση πρέπει να ξανασταλούν Ν πλαίσια.• Εάν ωστόσο έρχονται επιβεβαιώσεις, προχωρά στην αποστολή περαιτέρω πλαισίων χωρίς να ξεπερνά ένα παράθυρο W (όπου W>ή=Ν) ανεπιβεβαίωτων πλαισίων. •Επειδή οι δύο αριθμοί Ν(S) και N(R) ολισθαίνουν χωρίς η διαφορά τους να ανοίγει πάνω από W (αν και μπορεί να κλείνει μέχρι 0), ο μηχανισμός λέγεται παράθυρο ολίσθησης και δίνεται σχηματικά στο προηγούμενο σχήμα.

23

24



5-5. Μηχανισμός παραθύρου

N(S)=2

V(S)

N(R)=1

1

2

3 4

5

6

7 0

N(S)=N(S)+1? YES

N(S)=6

N(S)=1

1

2

3 4

5

6

7 0 V(S)

N(S)=4

V(R)

N(R)=5

YES

N(R)=2

N(R)=4

V(R)

N(S)=3 N(R)=5

V(R)-1 V(R)-1

N(S)=N(S)+1?

NO NO

N(S)=5 N(R)=1

w w

24

25



6-1. Σενάρια ζεύξης

Στις επόμενες διαφάνειες φαίνονται 4 συνήθη σενάρια ζεύξης:

• Το πρώτο αφορά μια ομαλή ανταλλαγή • Το δεύτερο περιλαμβάνει ένα σφάλμα μετάδοσης που προκαλεί επαναποστολή του βλαβέντος πλαισίου• Το τρίτο περιέχει ανάκαμψη από κατάσταση απασχολημένου τερματικού (Busy terminal) που έστειλε RNR• Το τέταρτο περιέχει ανάκαμψη με εκπνοή χρονιστή

Σημ. Το I συμβολίζει πλαίσιο πληροφορίας (Information) με αριθμούς N(S) και N(R), Τα SABM, UA, DISC είναι μη-αριθμημένα πλαίσια

25

26



6-2. Σενάρια χωρίς/με σφάλμα

I (N(S)=0, N(R)=0)

RR(N(R)=1)

I (N(S)=1, N(R)=0)

I (N(S)=0, N(R)=2)

I (N(S)=2, N(R)=1) I (N(S)=1, N(R)=2)

RR(N(R)=2)

SABM

UA

DISC

UA

V(S) V(R)

0 0

1 0

2 0

2 1

3 2

DTE DCE

V(S) V(R)

0 0

0 1

0 2

1 2

2 3

. . .

RR(N(R)=3)

A

I (N(S)=6, N(R)=2)

I (N(S)=7, N(R)=2)

REJ N(R)=6)

I (N(S)=6, N(R)=2)

I N(S)= 7,N(R)=2)

V(S) V(R)

6 2

7 2

8 2

6 2

7 2

DTE DCE

V(S) V(R)

2 6

2 6

2 6

2 7

2 0

. . .

RR(N(R)=0)

B

. . .

26

27



6-3. Σενάρια (συνέχεια)

I (N(S)=3, N(R)=0)

RΝR N(R)=4, F

RR, N(R)=0, P

RNR, N(R)=4, F

I N(S)=4, N(R)=0,N(R)=2)

DTE DCE

. . .

RNR N(R)=4, F

A

I (N(S)=6, N(R)=2)

I (N(S)=3, N(R)=2)

RR N(R)=4, F

I N(S)=4,N(R)=2)

DTE DCE

. . .

RR N(R)=5, F

B

. . .

. . .

. . . Τ1

RR N(R)=5, F

I N(S)=4, N(R)=0, P(N(R)=2)

I (N(S)=4, N(R)=2)

Τ1 . . .

RR N(R)=2, P

RR N(R)=4, F

27

28



6-4. Αποδοτικότητα ζεύξεων

• Η παροχέτευση (throughput) μας λέει πόση κίνηση περνά από τη μια άκρη στην άλλη ανά μονάδα χρόνου και μετριέται σε bits/sec. • Η ονομαστική ρυθμοδότηση (bit rate) μιας ζεύξης ή αλλιώς χωρητικότητα (capacity) της ζεύξης ορίζεται από τον ρυθμό λειτουργίας των πομποδεκτών σε bits/sec• Χρησιμοποιούν τις ίδιες μονάδες

1 100% 2 1

2 12 1

. ( )

( )( )

W a

W

aW a

(2-1)

Η απόδοση του πρωτοκόλλου GO-BACK-N υπολογίζεται χονδρικά με τους τύπους:(Ο υπολογισμός εξηγείται με το σχήμα της επόμενης διαφάνειας

29



6-5.

Α Β

Α Β

Α Β

Α Β

Α Β

Αρχή 1ου πλαισίου

Πλαίσιο 2Πλαίσιο a+1 Πλαίσιο 3

Αρχή του ACK 1

Πλαίσιο a+2Πλαίσιο a+3

W>2(a+1)

W<2(a+1)

ACK 1 ACK 2 ACK a


ACK 2 ACK 3 ACK a+1

Πλαίσιο 2(a+1)

Πλαίσιο 2a+1


ACK 2 ACK 3 ACK a+1

Πλαίσιο W

30

ΤΕΙ ΠειραιάΤμ. Αυτοματισμού6-6. Αποδοτικότητα go-back-N

31

ΤΕΙ ΠειραιάΤμ. Αυτοματισμού6-6Β. Αποδοτικότητα Sel.Repeat

32



7-1. Τοπικά Δίκτυα (LAN)

•Σε κοντινές αποστάσεις μπορούν να εφαρμοσθούν ειδικές τεχνικές δικτύωσης που δίδουν υψηλές ταχύτητες με χαμηλό κόστος και που είναι ανεφάρμοστες σε μεγάλες αποστάσεις. Τα δίκτυα που εκμεταλλεύονται την γειτνίαση σταθμών ονομάζονται τοπικά δίκτυα (LAN-Local Area Networks). • Τα τοπικά δίκτυα συνήθως εφαρμόζουν μερισμό του μέσου ανάμεσα σε πολλούς χρήστες. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούν μια ειδική κατηγορία πρωτοκόλλων ελέγχου πρόσβασης στο μέσον (MAC-Medium Access Control)•Τυποποιημένες τεχνικές ΤΔ είναι το Token ring, token bus, αλλά η πιο διαδεδομένη είναι το Ethernet που είναι σχεδόν ίδιο με το πρότυπο IEEE802.3 και το MAC του ανήκει στην οικογένεια Aloha

33



7-2. Τοπικά Δίκτυα (LAN)

High level I/F

OSI

802.1

802.2

802.3

CSMA\CDBUS

BASE&BROADBAND

Ανώτερα Επίπεδα

LLC

MAC

Physical

802.4 802.5

BASE &BROADBAND

BASEBAND

TOKENRING

TOKENBUS

34



7-3. Ethernet

Το πρωτόκολλο MAC του Ethernet που καθορίζει ποιος σταθμός έχει δικαίωμα να στείλει πλαίσιο στο κοινό μέσο μετάδοσης λειτουργεί ως εξής:

•Βήμα 1: Αφουγκράσου το μέσο και εάν είναι ελεύθερο στείλε. Αλλιώς πήγαινε στο βήμα 2

• Βήμα 2: Εάν το μέσο είναι κατειλημμένο συνέχισε την ακρόαση μέχρι να ελευθερωθεί και τότε στείλε αμέσως.

• Βήμα 3: Εάν ανιχνεύσεις σύγκρουση, μετάδωσε το σήμα jamming και μετά παύσε κάθε μετάδοση.

• Βήμα 4: Μετά την ολοκλήρωση της μετάδοσης του σήματος jamming εκτέλεσε τον αλγόριθμο της εκθετικής οπισθοδρόμησης για να προσδιορίσεις ένα τυχαίο χρόνο αναμετάδοσης μετά την εκπνοή του οποίου πήγαινε στο βήμα 1 (για να επιχειρήσεις μετάδοση εξ αρχής).

35



7-4. Μορφότυπος Ethernet

ΠΡΟΟΙΜΙΟ

PREAMBLE

7

SFD

1

ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ

ΠΡΟΟΡΙΣΜΟΥ

2 ή 6

ΔΙΕΥΘ.

ΠΗΓΗΣ

2 η 6

ΜΗΚΟΣ

2

ΔΕΔΟΜΕΝΑ

LLC

3 έως 1500

ΕΡΜΑ

(PAD)

FCS

4

Ο μορφότυπος του Ethernet φαίνεται κατωτέρω. • Το προοίμιο χρησιμοποιείται για συγχρονισμό του δέκτη.• To SFD (Start Frame Delimiter) οριοθετεί την αρχή / ευθυγραμμίζει τα byte• Ακολουθούν οι διευθύνσεις MAC• Το μήκος του πλαισίου (μεταβλητό)• Οι πληροφορίες• Το έρμα που στρογγυλεύει τα byte σε πολλαπλάσιο του 4• To Frame Check Sequence για ανίχνευση λαθών

36



7-5. Σενάριο Σύγκρουσης

Α

t0

t1

t3

t2

αρχή εκπομπής του Α

αρχή εκπομπής του Δ

Δ ανιχνεύει σύγκρουση

Α ανιχνεύει σύγκρουση

Β Γ Δ

Α Β Γ Δ

Α Β Γ Δ

Α Β Γ Δ

37

ΤΕΙ ΠειραιάΤμ. Αυτοματισμού7-6. Αποδοτικότητα οικογ. aloha

38



7-6.Κώδικας γραμμής Manchester

1 0 0 0 0 1 0 1 1 J KΔυαδικά bits

Δυαδικό σήμα (κωδικ/ση NRZ)

ΚωδικοποίησηManchester

ΑντίστροφηΚωδικοποίηση

Η μετάδοση των bit του Ethernet στο μέσον γίνεται σε κωδικοποίηση Manchester όπως εικονίζεται κατωτέρω.

39



8-1. Πλήμνη (Hub)

• Η πλήμνη (hub) είναι μια συσκευή που αναγεννά το σήμα που έρχεται από οποιαδήποτε είσοδο και ακολούθως αναμεταδίδει σε όλες τις εξόδους της (ιδέ επόμενο σχ. 8-2).• Επέτρεψε την μετατροπή της φυσικής τοπολογίας των δικτύων Ethernet σε αστέρα (ενώ η λογική τοπολογία παρέμενε αρτηρίας)• Επίσης επέτρεψε την κυριαρχία των ευέλικτων καλωδίων UTP5 (Unshielded Twisted Pair) και των βυσμάτων RJ45.• Ωστόσο το ενδεχόμενο συγκρούσεων παρέμεινε το κύριο χαρακτηριστικό του δικτύου, όπως ήταν και με την τοπολογία αρτηρίας, λόγω της καθυστέρησης διάδοσης (ιδέ σχ. 8-3).

40



8-2. Λειτουργία πλήμνης

Hub

41



8-3. Ιεραρχία πλημνών

hub

hub

hub

Head hub orBackbone hub

42



8-4. Μεταγωγέας (Ethernet switch)

• Ο μεταγωγές προκάλεσε μια επανάσταση στο Ethernet διότι δεν βγάζει άκριτα σε όλες τις εξόδους του τα πλαίσια αλλά μόνο σε αυτή που οδηγεί στον υπολογιστή προορισμού. • Για να πετύχει αυτό δημιουργεί πίνακες δρομολόγησης που δείχνουν τους υπολογιστές (MAC addresses) πίσω από κάθε πόρτα, παρακολουθώντας τους όταν στέλνουν πακέτα (self-learning).• Επιπροσθέτως, για να στείλει τα πλαίσια εκτελεί το αλγόριθμο MAC σε κάθε πόρτα ώστε να αποφεύγει περιττές συγκρούσεις (διαχωρισμός επικρατειών συγκρούσεων)• Δηλαδή λειτουργεί στο 2ο στρώμα και όχι στο 1ο σαν την πλήμνη.

43



8-5. Χρήση μεταγωγέα

Router

To Internet

hub

44



8-5B. Παράδειγμα πίνακα μεταγωγέα

Διεύθυνση MAC Πόρτα Χρόνος 55-Α2-44-3Β-67-00-00 1 8:22 7F-6A-85-46-55-00-71 2 8:27 2B-42-44-3Β-67-00-31 1 8:11 … 77-B3-42-44-3Β-67-01 21 8:25

45



• Η λογική και φυσική τοπολογία γίνεται από δίαυλος (bus) αστέρας - ενώ η πλήμνη εξακολουθούσε να είναι λογικό bus

• Οι συγκρούσεις καταργούνται και δεν έχουμε πλέον επικράτειες συγκρούσεων

• Η επίδοση βελτιώνεται δραματικά • Οι υπάρχουσες καλωδιώσεις για τα τηλέφωνα των κτηρίων

μπορούν πλέον να χρησιμοποιηθούν για τα δίκτυα• Η τυποποίηση των καλωδιώσεων (δομημένη καλωδίωση)

επιτρέπει φθηνότερες καλωδιακές εγκαταστάσεις • Το δίκτυο κορμού μεγάλων συγκροτημάτων συμπιέζεται σε

ένα μεταγωγέα αντί για δακτύλιο (collapsed backbone) μετά και την εισαγωγή του Gigabit Ethernet ρίχνοντας το κόστος

9-1. Τοπολογικές Συνέπειες

46



9-2. Τυπική διάταξη μικρού LAN

Mail

ServerWEBServer

Router

To Internet

Head hub

hubhub

FTPServer

hub

47



9-3. Διάταξη παλαιού τύπου

Token ring

Token busTo Internet

Ethernet

Backbone ringe.g.FDDI

Ethernet

RouterBridge

Bridge

Bridge

Bridge

Ethernet

Repeater

48



9-4. Τυπική διάταξη μεγάλου LAN

mailServer mail

Server

N

N

N

N

R

R

R

RWEBServer

FTPServer

Web server

To Internet

FTPServer

49



9-5. Δομημένη καλωδίωση

• Η εισαγωγή των πλημνών συνοδεύτηκε από την αλλαγή των δύσχρηστων ομοαξονικών καλωδίων με καλώδια παρόμοια με τα τηλεφωνικά εστριμμένα ζεύγη και ήσαν σύμφωνα με τη τυποποίηση 568Α & 568Β (και έμειναν τα ίδια και με την αλλαγή σε μεταγωγείς). • Τα καλώδια αυτά (UTPcat5) και η συνολική τυποποίηση που ονομάζεται δομημένη καλωδίωση, επέτρεψε την ενσωμάτωση της καλωδίωσης στο κτήριο κατάα την κατασκευή του, αλλά και την αξιοποίηση των υπαρχουσών τηλεφωνικών καλωδιώσεων για τη χρήση δικτύων υπολογιστών. • Τα βασικά στοιχεία της δομημένης καλωδίωσης παρουσιάζονται στις επόμενες διαφάνειες

50



9-6. 568A&B Color-Code Standards

51



9-6B. Patch cables

52



10-1.Δακτύλιος σκυτάλης

• Μετά το Ethernet η επόμενη πιο διαδεδομένη τεχνική ΤΔ είναι ο Δακτύλιος σκυτάλης (Token ring-ΙΕΕΕ 802.5).• Οι σταθμοί συνδέονται με διαδοχικές ζεύξεις καταλήγοντας πάλι στο αρχικό δημιουργώντας ένα δακτύλιο. • Το πρωτόκολλο MAC του ΔΣ δίνει την πρόσβαση στο μέσο στο σταθμό που κρατά την σκυτάλη (θέτοντας ένα ειδικό bit σε ένα μικρό πακέτο ελέγχου που ονομάζεται σκυτάλη).• Ο σταθμός μπορεί να κρατήσει τη σκυτάλη για 20ms, ενώ εκπέμπει. Ακολούθως πρέπει να ελευθερώσει την σκυτάλη στον επόμενο (ιδέ επόμενο σχήμα).•Τελικό αποτέλεσμα είναι οι σταθμοί να εκπέμπουν ο ένας μετά το άλλο για ίσο χρόνο καταλήγοντας σε δίκαιη ισομερή πρόσβαση.

53



10-2. Αρχή λειτουργίας ΔΣ

R

T

R

T

Repeating

Sending 1bit

1bit

54



10-3. Σύγκριση επιδόσεων

• Το χαρακτηριστικό του ΔΣ η προβλέψιμη και εγγυημένη επίδοση σε υψηλό φορτίο διότι κανένας σταθμός δεν μένει χωρίς ευκαιρία να στείλει.• Αντίθετα στο Ethernet οι συγκρούσεις έχουν εντελώς τυχαίο χαρακτήρα και παρότι μακροπρόθεσμα κανείς δεν αδικείται, μπορεί από τυχαίους λόγους να αργήσει πολύ να βρεί ευκαιρία να εκπέμψει (σε υψηλά φορτία)• Έτσι το πρώτο χρησιμοποιήθηκε όταν ένα εγγυημένο άνω όριο καθυστέρησης ήταν απαραίτητο (π.χ. βιομηχανικός έλεγχος) ενώ το άλλο όταν το κόστος ήταν κύριος παράγων (π.χ. εφαρμογές γραφείου).• Ωστόσο με την εισαγωγή του μεταγωγέα Ethernet και η εγγυημένη επίδοση έγινε δυνατή με χαμηλό κόστος με αποτέλεσμα την πλήρη κυριαρχία του Ethernet.

55



0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0,1 1 10

α

Πα

οχέτ

ευσ

η

Token ring, Ν=10Token ring, Ν=1

CSMA/CD, N=2

CSMA/CD, N=10

10-4. Σύγκριση επιδόσεων-B

56



11-1. Εξελίξεις Ethernet

Πέραν της επαναστατικής αλλαγής που έφεραν οι μεταγωγείς με την κατάργηση των συγκρούσεων και την εξαιρετική βελτίωση των επιδόσεων του Ethernet, έγιναν και μεγάλες βελτιώσεις της ρυθμοδότησής του, χάρις στις βελτιώσεις της μικροηλεκτρονικής και την εισαγωγή οπτικών λύσεων• Αρχικά εισήχθη το ταχύ (fast) Ethernet ρυθμού 100Mbps που μπορεί να λειτουργήσει και στις ίδιες καλωδιώσεις

• 100BASE-TX 100m, full Duplex, σε 2 ζεύγη του UTP5 με κωδικοποίηση 4Β5Β στα 125MHz• 100BASE-T4 100m, full Duplex, σε 4 χάλκινα ζεύγη UTP3 στα 25MHz με 4 bits ανά σύμβολο• 100BASE-FX 2Km, full Duplex, σε 2 πολύτροπες ίνες χωρίς συγκρούσεις (μόνο πόρτες μεταγωγέα)

57



11-2. Gigabit Ethernet

H προτυποποίηση του gigabit Ethernet που λειτουργεί με ρυθμό 1Gbps έγινε με το IEEE802.3z που ξεκίνησε το 1995 και ήταν έτοιμο το 1998. • Χρησιμοποιεί κώδικα 8Β/10Β στα 1,25Gbps αφού αφήνει εκτός 1024-250 συνδυασμούς κρατώντας μόνο όσους έχουν παραπλήσιο πλήθος 0 με 1. Τα μέσα μετάδοσης είναι:

• 1000BASE-LX, εμβέλεια 5km 100m, full Duplex, σε μονότροπη ίνα στα 1,3nm• 1000BASE-SX, 550m, με πολύτροπη ίνα 850nm• 1000BASE-LH, 10Km, σε μονότροπη ίνα (εκτός προτύπου)• 1000BASE-Τ, εμβέλεια 25m, σε 4 ζεύγη UTP5 για συμβατότητα με τα προηγούμενα ethernet

58



11-3. Νοητά ΤΔ (VLAN)

Οι βελτιώσεις του Ethernet, δημιούργησαν πολύ μεγάλα δίκτυα σε συγκροτήματα κτηρίων και μάλιστα και σε δημόσια δίκτυα γεννώντας προβλήματα ασφάλειας και φόρτου με τα πακέτα κοινοποίησης. Εμφανίστηκε η ανάγκη διάσπασης σε μικρότερα νοητά ΤΔ (virtual LAN)

Αυτό έγινε με το πρότυπο IEEE802.1Q και την προσθήκη:• ετικεττών (tags) που περιέχουν μεταξύ άλλων και την ταυτότητα νοητού δικτύου (VLAN ID)• σε παλιά συστήματα μπορεί να αποδοθεί χωριστή πόρτα μεταγωγέα για κάθε VLAN

59



V1-B

V1-A

V1-C

V1-D V2-C V2-D

V2-A

V2-BΕνδιάμεση Κίνηση(Crossover traffic)Οι πόρτες προσθέτουν το VLAN

Tag στα εισερχόμενα πακέτα...Και το αφαιρούν από τα εξερχόμενα

11-4. VLAN

60



AccessPoint

Προς Δίκτυο κορμού-Διαδίκτυο

Gateway/router

12-1. WLAN

61



AccessPoint

Distribution System

AccessPoint

AccessPoint

12-2. WLAN

62



AccessPoint

T1

T2

T3

12-3. WLAN

63



AccessPoint

SIFS

DIFS

Data Packet

Ack

Tim

e

A

AccessPoint

SIFS

DIFS

Data Packet

Ack

Tim

e

B

RTS

SIFS

SIFS

CTS

64



13-1. Spanning tree

• Για στιβαρότητα του δικτύου από βλάβες συνιστάται η ύπαρξη πλεονασματικών διαδρομών.• Ωστόσο τότε δημιουργούνται κλειστές διαδρομές όπου δρομολογούνται αενάως τα πακέτα.• Το πρόβλημα στα ΤΔ λύνει ο αλγόριθμος του επικαλύπτοντος δένδρου (spanning tree) ο οποίος εντοπίζει και απενεργοποιεί τις πλεονασματικές διαδρομές• Αμέσως μόλις διαπιστωθεί διακοπή ζεύξης ενεργοποιείται ο αλγόριθμος και δημιουργεί νέο δένδρο ώστε όλοι οι σταθμοί να είναι πάλι προσπελάσιμοι.• Παράδειγμα εφαρμογής του αλγορίθμου ακολουθεί. Δίνεται μία τοπολογία και ακολούθως ένα από τα δυνατά δένδρα.

65



13-2. Παράδειγμα δικτύου

S

S

B

B

S

BB B

B

B

66



13-3. Αντίστοιχο δένδρο

S

S

B

B

S

BB B

B

B

Τμήμα Αυτοματισμού ΤΕΙ Πειραιά Μάθημα: Δίκτυα...

Documents

Transcript of Τμήμα Αυτοματισμού ΤΕΙ Πειραιά Μάθημα: Δίκτυα...