Transcript diktya-opencourses-fin - Τμήμα Μηχανικών Αυτοματισμού Τ.Ε.

ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
Τμήμα Αυτοματισμού
ΤΕΙ Πειραιά
Μάθημα:
Δίκτυα Υπολογιστών
Διδάσκων:
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, PhD, Msc
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
1
1-1. Εισαγωγικά
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
•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, τηλεεκπαίδευση, διανομή ταινιών, τηλε-διάσκεψη κλπ.
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
2
1-2. Δίκτυα πακέτων
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
Τα δίκτυα δεδομένων λειτουργούν με μεταγωγή πακέτων σε
αντίθεση με την παραδοσιακή τηλεφωνία που χρησιμοποιεί
δίκτυα μεταγωγής κυκλωμάτων
Τα 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
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
3
1-3. Βασικές έννοιες
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
•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
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
4
1-4. Τεχνικές Μεταγωγής
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
 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.
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
5
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
2-1. Τυπικά στοιχεία δικτύου
M
K
L
B
C
E
A
D
F
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
6
2-2. Συνιστώσες δικτύων
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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.
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
7
2-3. Αρχή λειτουργίας μεταγωγέα
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
8x8
• 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)
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
8
2-4. Πολύπλεξη πακέτων
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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.
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
9
2-5. Σχηματική παράσταση
πολυπλέκτη
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
A. Σχηματική αναλογία πολυπλέκτη πακέτων 4 εισόδων και Β. Σύμβολο πολυπλέκτη
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
10
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
Είσοδοι
Πολυπλέκτης
Εξοδος
Συνολικός στιγμιαίος ρυθμός αφίξεων
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
11 11
3-1. Μοντέλο στρωμάτωσης OSI
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
12
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
3-2. Τα 7 στρώματα OSI
AP ‘X’
Incoming frame
reduction
Outgoing frame
construction
AP data
Application
AH
Presentation
PH
Session
SH
Transport
TH
Network
Data link
Physical
NH
F A C
AP ‘Y’
Application
AP data
Data unit
Presentation
Data unit
Session
Data unit
Transport
Data unit
Network
Data unit (1 field)
Bits
FCS
F
Data link
Pysical
Physical transmission media
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
13
3-3.Λειτουργίες κάθε στρώματος
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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)
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
14
4-1. Φυσικό Στρώμα
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
15
4-2. BER ζεύξεων
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
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
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
16
4-3. Baud-Bit rate
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
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
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
17
4-3. Baud-Bit
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
18
5-1. Στρώμα ζεύξης
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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.
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
19
5-2. Πρωτόκολλο HDLC/LAPB
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
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)
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
20
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
5-3. Φόρμα HDLC/LAPB
Tail (Ουρά)
Header (Επικεφαλίδα)
Flag
1 byte
01111110
Data
Control Field
Address
0-131 bytes
1 byte
1 byte
N(S)
0
S
1
0
1
1
N(R)
P
S
M M P/F M
M
Flag
2 bytes
1 byte
01111110
Supervisory
N(R)
P/F
Info frame
FCS
M
Un-numbered
0 = Polling
(Command)
1 = Final
(response)
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
21
5-3. Διόρθωση λαθών
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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.
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
22
22
5-4. Παράθυρο ολίσθησης
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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.
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
23
23
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
5-5. Μηχανισμός παραθύρου
N(S)=6 N(R)=2
N(R)=5 N(S)=3
V(R)-1
V(R)-1
7
V(R)
N(S)=2
1
6
0
1
w
2
4
7
V(S)
6
w
5
YES
N(R)=5
0
3
V(S)
V(R)
5
N(S)=5
N(R)=1
2
4
3
YES
N(S)=N(S)+1?
N(S)=N(S)+1?
NO
NO
N(R)=4 N(S)=1
N(S)=4 N(R)=1
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
24
24
6-1. Σενάρια ζεύξης
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
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
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
25
25
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
6-2. Σενάρια χωρίς/με σφάλμα
SABM
DTE
V(S)
V(R)
0
0
1
0
UA
I (N(S)=0, N(R)=0)
RR(N(R)=1)
DCE
V(S)
V(R)
V(S)
V(R)
0
0
6
2
0
1
7
2
I (N(S)=1, N(R)=0)
2
0
I (N(S)=0, N(R)=2)
2
0
1
1
I (N(S)=2, N(R)=1)
DTE
DCE
. . .
I (N(S)=6, N(R)=2)
I (N(S)=7, N(R)=2)
8
2
6
2
2
RR(N(R)=2)
2
2
6
2
6
2
6
2
7
2
0
I (N(S)=6, N(R)=2)
2
7
2
I N(S)= 7,N(R)=2)
3
V(R)
REJ N(R)=6)
2
I (N(S)=1, N(R)=2)
V(S)
3
RR(N(R)=3)
RR(N(R)=0)
. . .
DISC
. . .
UA
A
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
B
26
26
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
6-3. Σενάρια (συνέχεια)
DTE
DCE
DTE
. . .
DCE
. . .
I (N(S)=6, N(R)=2)
I (N(S)=3, N(R)=0)
I (N(S)=3, N(R)=2)
RΝR N(R)=4, F
I (N(S)=4, N(R)=2)
RR N(R)=4, F
. . .
Τ1
RR, N(R)=0, P
. . .
Τ1
RR N(R)=2, P
RNR, N(R)=4, F
RR N(R)=4, F
I N(S)=4, N(R)=0,
N(R)=2)
I N(S)=4,N(R)=2)
RNR N(R)=4, F
I N(S)=4, N(R)=0, P
(N(R)=2)
RR N(R)=5, F
RR N(R)=5, F
. . .
. . .
A
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
B
27
27
6-4. Αποδοτικότητα ζεύξεων
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
(2-1)
• 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
Η απόδοση του πρωτοκόλλου
GO-BACK-N υπολογίζεται
χονδρικά με τους τύπους:
(Ο υπολογισμός εξηγείται με το
σχήμα της επόμενης διαφάνειας
1.100%W  2(a  1)

 W
 2(a  1) W  2(a  1)

Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
28
6-5.
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ.
Αυτοματισμού
Β
Αρχή 1ου πλαισίου
Α
Πλαίσιο a+1
Πλαίσιο 3
Πλαίσιο 2
Α
Β
Αρχή του ACK 1
Πλαίσιο 2a+1
Πλαίσιο a+3
Πλαίσιο a+2
Α
Β
ACK 1
ACK 2
ACK a
W>2(a+1)
Πλαίσιο 2(a+1)
Πλαίσιο a+4
Πλαίσιο a+3
Α
Β
ACK 2
ACK 3
ACK a+1
W<2(a+1)
Πλαίσιο W
Πλαίσιο a+4
Πλαίσιο a+3
Α
Β
ACK 2
ACK 3
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
ACK a+1
29
6-6. Αποδοτικότητα go-back-N
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
30
6-6Β. Αποδοτικότητα Sel.Repeat
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
31
7-1. Τοπικά Δίκτυα (LAN)
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
•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
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
32
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
7-2. Τοπικά Δίκτυα (LAN)
Ανώτερα Επίπεδα
OSI
802.1
High level I/F
802.2
LLC
802.3
MAC
Physical
CSMA\CD
BUS
BASE&
BROAD
BAND
802.4
TOKEN
BUS
BASE &
BROAD
BAND
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
802.5
TOKEN
RING
BASE
BAND
33
7-3. Ethernet
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
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).
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
34
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
7-4. Μορφότυπος Ethernet
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
ΠΡΟΟΙΜΙΟ
ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ
ΔΙΕΥΘ.
ΔΕΔΟΜΕΝΑ
ΕΡΜΑ
(PAD)
PREAMBLE
SFD
ΠΡΟΟΡΙΣΜΟΥ
ΠΗΓΗΣ
ΜΗΚΟΣ
LLC
7
1
2ή6
2η6
2
3 έως 1500
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
FCS
4
35
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
7-5. Σενάριο Σύγκρουσης
t0
αρχή εκπομπής του Α
Α
Β
Γ
Δ
Α
Β
Γ
Δ
Α
Β
Γ
Δ
Α
Β
Γ
Δ
t1
αρχή εκπομπής του Δ
t2
Δ ανιχνεύει σύγκρουση
t3
Α ανιχνεύει σύγκρουση
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
36
7-6. Αποδοτικότητα οικογ. aloha
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
37
7-6.Κώδικας γραμμής Manchester
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
Η μετάδοση των bit του Ethernet στο μέσον γίνεται σε κωδικοποίηση
Manchester όπως εικονίζεται κατωτέρω.
Δυαδικά bits
1
0
0
0
0
1
0
1
1
J
K
Δυαδικό σήμα
(κωδικ/ση NRZ)
Κωδικοποίηση
Manchester
Αντίστροφη
Κωδικοποίηση
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
38
8-1. Πλήμνη (Hub)
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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).
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
39
8-2. Λειτουργία πλήμνης
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
Hub
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
40
8-3. Ιεραρχία πλημνών
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
Head hub or
Backbone hub
hub
hub
hub
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
41
8-4. Μεταγωγέας (Ethernet switch)
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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 (selflearning).
• 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.
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
42
8-5. Χρήση μεταγωγέα
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
To Internet
Router
hub
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
43
8-5B. Παράδειγμα πίνακα μεταγωγέα
Διεύθυνση MAC
55-Α2-44-3Β-67-00-00
7F-6A-85-46-55-00-71
2B-42-44-3Β-67-00-31
…
77-B3-42-44-3Β-67-01
Πόρτα
1
2
1
Χρόνος
8:22
8:27
8:11
21
8:25
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
44
9-1. Τοπολογικές Συνέπειες
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
45
9-2. Τυπική διάταξη μικρού LAN
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
To Internet
Router
Mail
Server
WEB
Server
hub
Head hub
FTP
Server
hub
hub
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
46
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
9-3. Διάταξη παλαιού τύπου
Token bus
To Internet
Bridge
Bridge
Router
Backbone ring
e.g.FDDI
Bridge
Bridge
Ethernet
Token ring
Repeater
Ethernet
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
Ethernet
47
9-4. Τυπική διάταξη μεγάλου LAN
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
To Internet
R
Web
server
N
N
N
R
mail
Server
R
N
R
FTP
Server
WEB
Server
FTP
Server
mail
Server
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
48
9-5. Δομημένη καλωδίωση
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
49
9-6. 568A&B Color-Code Standards
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
50
9-6B. Patch cables
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
51
10-1.Δακτύλιος σκυτάλης
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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.
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
52
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
10-2. Αρχή λειτουργίας ΔΣ
R
Repeating
1bit
T
R
Sending
1bit
T
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
53
10-3. Σύγκριση επιδόσεων
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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.
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
54
10-4. Σύγκριση επιδόσεων-B
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
1
0,9
Token ring, Ν=1
0,8
Token ring, Ν=10
Παοχέτευση
0,7
0,6
CSMA/CD, N=2
0,5
0,4
0,3
CSMA/CD, N=10
0,2
0,1
0
0,1
1
10
α
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
55
11-1. Εξελίξεις Ethernet
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
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)
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
56
11-2. Gigabit Ethernet
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
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
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
57
11-3. Νοητά ΤΔ (VLAN)
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
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
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
58
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
11-4. VLAN
V1-B
V1-A
V2-A
V2-B
Οι πόρτες προσθέτουν το VLAN
Tag στα εισερχόμενα πακέτα...
Και το αφαιρούν από τα
εξερχόμενα
Ενδιάμεση Κίνηση
(Crossover traffic)
V1-C
V1-D
Ενότητα
V2-C
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
V2-D
59
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
12-1. WLAN
Gateway/router
Access
Point
Προς Δίκτυο
κορμού-Διαδίκτυο
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
60
12-2. WLAN
Access
Point
Access
Point
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
Access
Point
Distribution System
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
61
12-3. WLAN
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
T2
T1
T3
Access
Point
Ενότητα
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
62
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
Access
Point
DIFS
Time
Time
Access
Point
DIFS
RTS
Data Packet
SIFS
SIFS
Ack
CTS
SIFS
Data Packet
SIFS
Ack
Ενότητα
A
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
B
63
13-1. Spanning tree
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
• 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.
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
64
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
13-2. Παράδειγμα δικτύου
B
B
S
B
S
S
B
B
B
B
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
65
ΤΕΙ Πειραιά
Τμ. Αυτοματισμού
13-3. Αντίστοιχο δένδρο
B
B
S
B
S
S
B
B
B
B
Ι. Δ. Αγγελόπουλος, καθηγητής
66