Τι είναι ένα Δίκτυο Υπολογιστών

Με τον όρο δίκτυο υπολογιστών αναφερόμαστε σε ένα σύστημα επικοινωνίας, στο οποίο πραγματοποιείται ανταλλαγή δεδομένων μεταξύ πολλών (από δύο και πάνω) διασυνδεδεμένων αυτόνομων υπολογιστικών συσκευών. Οι υπολογιστές θεωρούνται διασυνδεδεμένοι όταν είναι σε θέση να ανταλλάξουν πληροφορίες μεταξύ τους και αυτόνομοι όταν δεν είναι δυνατό κάποιος υπολογιστής να ελέγξει τη λειτουργία (π.χ. εκκίνηση ή τερματισμό) κάποιου άλλου. Με απλά λόγια ένα δίκτυο υπολογιστών μπορεί να είναι ένα σύνολο από δύο ή παραπάνω υπολογιστές που είναι διασυνδεδεμένοι μεταξύ τους με ένα ή παραπάνω φυσικά μέσα.


Οι υπολογιστές καλούνται κόμβοι (nodes) όπου:

  • Κόμβος ενός δικτύου μπορεί να είναι κάθε είδους υπολογιστική συσκευή
  • Κάθε κόμβος προσδιορίζεται από μια τουλάχιστον μοναδική διεύθυνση


Κάθε φυσικό μέσο καλείται ζεύξη, μέσο μετάδοσης ή κανάλι (π.χ. Οπτική ίνα, ομοαξονικό καλώδιο). Οι κόμβοι και οι ζεύξεις αποτελούν τους πόρους (resources) ενός δικτύου


Σκοπός των Δικτύων

Ο σκοπός για τον οποίον τα δίκτυα δημιουργήθηκαν είναι για να εξυπηρετήσουν τις ολοένα και αυξανόμενες ανάγκες που δημιουργήθηκαν από την ευρεία χρήση των υπολογιστών συσκευών. Ο κυριότερος όμως σκοπός για τον οποίο είναι σημαντική ύπαρξη των δικτύων είναι διότι με αυτά επιτυγχάνουμε, διαμερισμός των πόρων σε συστήματα καθώς και ανταλλαγή πληροφοριών (προγράμματα, αρχεία, δεδομένα). Οι πόροι ενός συστήματος αποτελούνται από:


  1. Υλικό (hardware), π.χ. υπολογιστές, εκτυπωτές, plotters, σκληροί δίσκοι
  2. Είτε λογισμικό (software), π.χ. δεδομένα, προγράμματα εφαρμογών, υπηρεσίες

Τα προγράμματα, τα δεδομένα και οι συσκευές (σκληροί δίσκοι, εκτυπωτές, κλπ) είναι διαθέσιμα σε οποιονδήποτε είναι συνδεδεμένος στο δίκτυο, ανεξάρτητα από την θέση στην οποία βρίσκεται. Έτσι επιτυγχάνεται εξοικονόμηση χρημάτων, αύξηση της απόδοσης του συστήματος, κεντρικός έλεγχος και εύκολη επεκτασιμότητα. Σε ένα δίκτυο υπολογιστών μπορούμε να έχουμε ανταλλαγή δεδομένων, προγραμμάτων, χρήση κοινών βάσεων δεδομένων, αρχείων, αποστολή μηνυμάτων (electronic mail). Όμως, ανεξάρτητα απ'όλα αυτά ένα δίκτυο υπολογιστών αποτελεί ένα αρκετά ισχυρό μέσο επικοινωνίας μεταξύ ανθρώπων που βρίσκονται σε διαφορετικά ή διάσπαρτα σημεία.


Αρχιτεκτονική των Δικτύων

Με τον όρο αρχιτεκτονική ενός δικτύου αναφερόμαστε στον τρόπο με τον οποίο οι υπολογιστές και οι λοιπές συσκευές συνδέονται μεταξύ τους με άμεσο σκοπό την δυνατότητα διαμοιρασμού πληροφοριών και συσκευών που διαθέτει αυτό. Ένα δίκτυο δεδομένων μπορεί να περιλαμβάνει τις εξής οντότητες:

  1. Τερματικούς Κόμβους: Όπου είναι σημεία τα οποία ελέγχουν τους πόρους του δικτύου (λογισμικό και υλικό).

  2. Υποδίκτυα: Φυσικά μέσα μετάδοσης, πρωτόκολλα επικοινωνίας, τοπολογία, τερματικοί κόμβοι, πόροι που μπορεί να διαφέρουν πολύ σε κάθε υποδίκτυο.

  3. Συσκευές Διασύνδεσης: Όπου διασυνδέουν ετερογενή υποδίκτυα με άμεσο σκοπό την εξασφάλιση επικοινωνίας των τερματικών κόμβων που βρίσκονται σε διαφορετικά υποδίκτυα

Είδη Δικτύων

Με βάση την γεωγραφική ανάπτυξη:

  1. Τοπικά δίκτυα (Local Area Networks - LAN): Εκτείνονται σε μια περιορισμένη γεωγραφική απόσταση (π.χ. κτήριο ή ένα συγκρότημα κτηρίων) και περιορίζεται στα πλαίσια ενός οργανισμού ή μιας εταιρίας. Χαρακτηρίζονται από υψηλούς ρυθμούς μεταφοράς δεδομένων (10 έως 100 Mbps), μικρή καθυστέρηση και αριθμό σφαλμάτων. Επίσης έχουν μικρό αριθμό διασυνδεδεμένων υπολογιστών και χρησιμοποιούν ιδιωτικά μέσα μετάδοσης. Τοπικά δίκτυα συναντάμε σε σχολεία, πανεπιστήμια, εταιρίες, οργανισμούς, ιδρύματα κλπ.

Παράδειγμα LAN δικτύου


Πλεονεκτήματα των τοπικών δικτύων
Χαμηλό κόστος ανά χρήστη. Για παράδειγμα μια ακριβή περιφερειακή συσκευή (π.χ. ένα πολυμηχάνημα ή ένας server είναι ένας πόρος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί από όλους τους χρήστες.
Επεκτασιμότητα
Βελτιστοποίηση της χρήσης των μηχανημάτων
Η παροχή υπηρεσιών είναι αρκετά ικανοποιητική για όλους τους χρήστες του δικτύου
Ύπαρξη συμβατότητας για συσκευές οι οποίες υποστηρίζουν συγκεκριμένα πρότυπα


  1. Μητροπολιτικά Δίκτυα (Metropolitan Area Networks - MAN): Είναι δίκτυα τα οποία περιορίζονται στα πλαίσια μιας πόλης. Ένα μητροπολιτικό δίκτυο συνήθως συνδέει τα διάφορα τοπικά δίκτυα υπολογιστών χρησιμοποιώντας ένα δίκτυο κορμού (backbone technology) υψηλού εύρους ζώνης, όπως οι οπτικές ίνες και παρέχει διασυνδέσεις προς τα δίκτυα ευρείας περιοχής ή το διαδίκτυο.

Παράδειγμα MAN δικτύου


Παράδειγμα MAN δικτύου για την πόλη του Ηρακλείου

  1. Δίκτυα ευρείας περιοχής (Wide Area Networks - WAN): Καλύπτουν αποστάσεις μερικών χιλιομέτρων (συνήθως άνω των 5 km) συνήθως μια εκτεταμένη γεωγραφική περιοχή (π.χ. χώρες, κράτη ακόμα και ηπείρους). Αποτελούνται από υπολογιστές, τηλεπικοινωνιακές συσκευές και γραμμές. Παραδείγματα τέτοιων δικτύων μπορεί να θεωρηθούν τα δίκτυα των αεροπορικών εταιρειών, τα τραπεζικά δίκτυα, τα δημόσια δίκτυα δεδομένων κλπ.

Παράδειγμα WAN δικτύου


Διασύνδεση WAN δικτύων


Είδη δικτύων με βάση την γεωγραφική ανάπτυξη


Με βάση τον τηλεπικοινωνιακό φορέα εξυπηρέτησης:

  1. Ιδιωτικά δίκτυα (Private Networks): Είναι δίκτυα τα οποία αποτελούν ιδιοκτησία ενός ιδιωτικού οργανισμού ή μιας εταιρίας. Πρόσβαση σε αυτό το δίκτυο έχουν μόνο εξουσιοδοτημένοι χρήστες (υπάλληλοι, εργαζόμενοι κτλ) οι οποίοι συνήθως πρέπει να βρίσκονται φυσικά εντός των εγκαταστάσεων του οργανισμού για να αποκτούν πρόσβαση σε αυτό. Η πρόσβαση σε ιδιωτικό δίκτυο από σημεία εκτός του οργανισμού είναι περιορισμένος ή ακόμα και ανύπαρκτος.

  2. Δημόσια δίκτυα (Public Networks): Τα δημόσια δίκτυα είναι αυτά τα οποία μεταφέρουν τα δεδομένα πολλών χρηστών χωρίς ελέγχους ή διακρίσεις. Εξυπηρετούν υπηρεσίες πολλών ειδών και προσφέρουν την διασύνδεση μεταξύ χρηστών σε όλο τον κόσμο. Το βασικότερο δημόσιο δίκτυο είναι το Διαδίκτυο και λειτουργεί για τα δεδομένα με τον ίδιο τρόπο που λειτουργεί το Παγκόσμιο Δημόσιο Τηλεφωνικό Δίκτυο ή PSTN (Public Switched Telephone Network).

Με βάση την τεχνική προώθησης πληροφορίας:

  1. Μεταγωγή κυκλώματος: Όπου δημιουργείται ένα αποκλειστικό κύκλωμα για κάθε κλήση. Για να επικοινωνήσουν δύο σταθμοί αποκαθίσταται μια αποκλειστική φυσική σύνδεση μεταξύ τους που διατηρείται σταθερή καΘ' όλη την διάρκεια της επικοινωνίας. Αποτελείται από μια σειρά συνδέσεων μεταξύ των κόμβων και του δικτύου.

  2. Μεταγωγή πακέτων: Όπου εδώ τα δεδομένα μεταφέρονται μέσω δικτύου με την μορφή πακέτων. Τα προς μετάδοση μηνύματα τεμαχίζονται σε πακέτα (μέγιστο 1000 bytes). Κάθε πακέτο περιέχει ένα τμήμα ωφέλιμης πληροφορίας, μια διεύθυνση προορισμού και έναν αριθμό σειράς. Κάθε κόμβος μεταγωγής πακέτου χρησιμοποιεί την διεύθυνση προορισμού του πακέτου για να αποφασίσει σε ποιον κόμβο θα το προωθήσει. Οι αριθμοί σειράς πακέτων χρησιμοποιούνται από τον σταθμό προορισμού για να ανακατασκευάσει το μήνυμα.

  3. Iεραρχικός σχεδιασμός των τηλεπικοινωνιακών δικτύων


Μεταγωγή κυκλώματος σε σχέση με την μεταγωγή πακέτων

Ερώτημα:Ποια από τις δύο τεχνικές μας δίνει την δυνατότητα να έχουμε περισσότερους χρήστες στο δίκτυο μας ;

Έστω ότι έχουμε το παρακάτω δίκτυο:

Δίκτυο με ταχύτητα ζεύξης 1 Mbps

Όπου κάθε χρήστης:

  • Έχει 100 kbps όταν είναι ενεργός
  • Και είναι ενεργός στο 10% του χρόνου

Η μεταγωγή πακέτων είναι ιδανική για δεδομένα που χαρακτηρίζονται από σποραδικότητα (bursty) διότι:

  1. Διαμοιράζει τους πόρους

  2. Είναι απλούστερη και δεν απαιτεί εγκαθίδρυση σύνδεσης

  3. Το πρόβλημα είναι ότι η μεταγωγή πακέτων εμφανίζει υπερβολική συμφόρηση:

    • Καθυστέρηση πακέτων και απώλειες

    • Απαιτούνται πρωτόκολλα για την αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων και έλεγχο συμφόρησης


Μεταγωγή Πακέτων Μεταγωγή Κυκλώματος
Με 35 χρήστες πιθανότητα να είναι περισσότεροι από 10 ενεργοί χρήστες. Μέχρι 10 ενεργούς χρήστες


Σύγκριση τεχνικών μεταγωγής πακέτου και μεταγωγής κυκλώματος



Μεταγωγή Πακέτων Μεταγωγή Κυκλώματος
Κάθε ροή δεδομένων διαιρείται σε πακέτα Δέσμευση πόρων από άκρο σε άκρο
Κάθε πακέτο χρησιμοποιεί όλο το bandwidth της ζεύξης Εύρος ζώνης ζεύξης, χωρητικότητα μεταγωγέα
Πόροι χρησιμοποιούνται μόνο όταν χρειάζεται Αποκλειστική διάθεση δεσμευμένων πόρων στην κλήση
Συμφόρηση: τα πακέτα περιμένουν την σειρά τους για μετάδοση στην ουρά Εγγυημένη απόδοση
Αποθήκευση και προώθηση κατά άλματα (hop-by-hop) Απαιτείται εγκαθίδρυση κυκλώματος
Υπερβολική σπατάλη πόρων Οι δικτυακοί πόροι (πχ bandwidth) διαιρούνται σε κομμάτια
Πόροι δεν χρησιμοποιούνται όταν η πηγή είναι αδρανής
Δεν χρησιμοποιεί τεχνικές όπως η διαίρεση bandwidth σε κομμάτια δέσμευση και αποκλειστική απονομή πόρου Τα κομμάτια απονέμονται στις κλήσεις
Διαίρεση συχνότητας (FDM)
Διαίρεση χρόνου (TDM)


Προώθηση πακέτων στα δίκτυα μεταγωγής

Στόχος είναι η μετακίνηση των πακέτων απ' την πηγή στον προορισμό μέσω δρομολογητών (routers). Αυτό το αναλαμβάνουν αλγόριθμοι δρομολόγησης (routing algorithms) που επιλέγουν την διαδρομή μεταξύ πηγής και προορισμού. Στα δίκτυα μεταγωγής υπάρχουν δύο μέθοδοι μετάδοσης τα αυτοδύναμα πακέτα και τα εικονικά κυκλώματα.


Αυτοδύναμα πακέτα

Όπου στην μέθοδο αυτή το κάθε πακέτο ακολουθεί την δική του διαδρομή μέσα στο δίκτυο. Η επιλογή αυτή εξαρτάται από τον αριθμό των πακέτων που περιμένουν να σταλούν σε κάθε κόμβο. Κάθε φορά, επιλέγεται η καλύτερη διαδρομή (π.χ. χρονικά συντομότερη).

Προώθηση πακέτων με την μέθοδο αυτοδύναμου πακέτου

Εικονικά κυκλώματα

Στην μέθοδο του εικονικού κυκλώματος πριν αρχίσει η ανταλλαγή πακέτων, επιλέγεται η καλύτερη διαδρομή. Αυτήν την διαδρομή επιλέγουν όλα τα πακέτα από την έναρξη έως τον τερματισμό της σύνδεσης.


Προώθηση πακέτων με την μέθοδο εικονικού κυκλώματος


Σύγκριση Αυτοδύναμων πακέτων με εικονικών κυκλωμάτων

Αυτοδύναμα Πακέτα Εικονικά Κυκλώματα
  1. Η διεύθυνση προορισμού που περιέχεται στο πακέτο προσδιορίζει τον επόμενο κόμβο

  2. Οι διαδρομές ενδέχεται να μεταβληθούν κατά την διάρκεια ενός session

  1. Κάθε πακέτο φέρει μια «ετικέτα» (ID εικονικού κυκλώματος) που προσδιορίζει τον επόμενο κόμβο

  2. Η διαδρομή προσδιορίζεται κατά την εγκαθίδρυση κλήσης και παραμένει αμετάβλητη καθόλη την διάρκεια της

  3. Οι δρομολογητές διατηρούν πληροφορία για την κατάσταση κάθε κλήσης





Ζήτημα Αυτοδύναμα
πακέτα
Εικονικά
κυκλώματα
Εγκαθίδρυση σύνδεσης Δεν χρειάζεται Απαραίτητη
Διευθυνσιοδότηση Κάθε πακέτο περιέχει την πλήρη διεύθυνση προορισμού Κάθε πακέτο περιέχει ένα μικρό αριθμό εικονικού κυκλώματος
Πληροφορίες κατάστασης Οι δρομολογητές δεν διατηρούν πληροφορίες για τις συνδέσεις Κάθε εικονικό κύκλωμα απαιτεί χώρο στους πίνακες δρομολόγησης ανά σύνδεση
Δρομολόγηση Κάθε πακέτο δρομολογείται ανεξάρτητα Το δρομολόγιο επιλέγεται όταν εγκαθιδρύεται το κύκλωμα, και όλα τα πακέτα το ακολουθούν
Επιπτώσεις
κατάρρευσης
δρομολογητών
Καμία, εκτός από τα πακέτα που χάνονται κατά την κατάρρευση Όλα τα κυκλώματα τα οποία περνούσαν από το δρομολογητή που κατέρρευσε τερματίζονται
Ποιότητα υπηρεσιών Δύσκολη Εύκολη, εφόσον μπορούν να εκχωρηθούν προκαταβολικά επαρκείς πόροι για κάθε εικονικό κύκλωμα
Έλεγχος συμφόρησης Δύσκολος Εύκολος, εφόσον μπορούν να εκχωρηθούν προκαταβολικά επαρκείς πόροι για κάθε εικονικό κύκλωμα

Υλοποίηση της Διασύνδεσης

Για να επικοινωνήσουν δύο υπολογιστικές συσκευές πρέπει να υπάρξει μεταξύ τους φυσική και λογική διασύνδεση. Διασύνδεση σε Φυσικό επίπεδο. Η διασύνδεση επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας:

  1. Φυσικά Μέσα Μετάδοσης: Είναι τα μέσα ή οι φορείς που διακινούν την πληροφορία. Τα πιο συνηθισμένα μέσα μετάδοσης είναι το ομοαξονικό καλώδιο, το συνεστραμμένο ζεύγος καλωδίων και οι οπτικές ίνες. Κάθε φυσικό μέσο διασύνδεσης έχει τα δικά του χαρακτηριστικά, αυτά μπορεί να είναι το εύρος ζώνης και ανοχή στον θόρυβο τα οποία επηρεάζουν σημαντικά τον τρόπο και την ταχύτητα μετάδοσης
  2. Τοπολογία Δικτύου: Καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο θα διασυνδέονται οι συσκευές που υπάρχουν σε ένα δίκτυο. Ένα απλό παράδειγμα τοπολογίας μπορεί να θεωρηθεί η σύνδεση σημείου προς σημείο (point to point). Οι υπόλοιπες τοπολογίες θεωρούνται απλά ως δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος, όπου σε αυτήν την περίπτωση κάθε κόμβος συνδέεται με όλους τους υπόλοιπους. Οι τοπολογίες δικτύων που χρησιμοποιούνται είναι οι εξής:

Βασικές τοπολογίες

Αρτηρίας ή διαύλου (bus): Όπου οι σταθμοί εργασίας συνδέονται σε ένα κοινό διαμοιραζόμενο επικοινωνιακό φυσικό μέσο.


Τοπολογία αρτηρίας ή διαύλου (bus topology)

Δακτυλίου (ring): Όπου στην τοπολογία αυτή υπάρχει κλειστή διαδρομή του φυσικού μέσου και οι σταθμοί εργασίας συνδέονται κανονικά.


Τοπολογία δακτυλίου (Ring topology)

Αστέρα (star): Όπου οι σταθμοί εργασίας συνδέονται με μητρική μονάδα εξυπηρέτησης


Τοπολογία αστέρα (star topology)

Δευτερεύοντες τοπολογίες

Δέντρου (tree): Η τοπολογία δέντρου είναι συνδυασμός των τοπολογιών αστέρα και διαύλου. Το δίκτυο έχει έναν κεντρικό κόμβο όπου πάνω σε αυτόν συνδέονται με τοπολογία αρτηρίας.


Τοπολογία δέντρου (tree topology)

Δικτυωτή (mesh): Όπου κάθε υπολογιστική συσκευή ή/και συσκευή δικτύου είναι διασυνδεδεμένες μεταξύ τους με μια άλλη αντίστοιχα. Αυτό επιτρέπει την δυνατότητα να διανεμηθούν περισσότερες μεταδόσεις ακόμη και σε περίπτωση που μία από τις συνδέσεις δεν λειτουργεί. Αυτή η τοπολογία δεν είθισται να χρησιμοποιείται για διασύνδεση υπολογιστών καθότι είναι πολύ δύσκολο αλλά και πολύ δαπανηρό να υπάρχουν περιττές συνδέσεις σε κάθε υπολογιστή.

Δικτυωτή τοπολογία (Mesh topology)

Διασύνδεση σε Φυσικό επίπεδο: Μέθοδος πρόσβασης στο μέσο

Στα δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος, όπου όλοι οι κόμβοι έχουν πρόσβαση σε κοινό μέσο, απαιτείται μια μέθοδος που θα εξασφαλίζει ποιος κόμβος μεταδίδει κάθε φορά. Οι βασικές μέθοδοι είναι τρεις:

  • Με ανταγωνισμό (π.χ. Ethernet)

  • Με διαβούλευση (π.χ. Token Ring)

  • Με πολυπλεξία (π.χ. Time Division Multiplexing)


Διασύνδεση σε Φυσικό επίπεδο: Τεχνική Μετάδοσης και κωδικοποίησης δεδομένων

Για να σταλεί η πληροφορία στον παραλήπτη, θα πρέπει να μετατραπεί στη μορφή που το μέσο μπορεί να μεταδώσει. Οι κυριότερες τεχνικές μετάδοσης είναι:

  • Βασικής / ευρείας ζώνης

  • Ψηφιακού / αναλογικού σήματος

  • Διαμόρφωση / αποδιαμόρφωση

  • Σύγχρονη / ασύγχρονη

Ταχύτητα μετάδοσης: Η ταχύτητα μετάδοσης εξαρτάται πάντα από το μέσο και από την τεχνική που χρησιμοποιείται κατά την μετάδοση. Μετρείται σε bits/sec.

Εξοπλισμός διασύνδεσης: Είναι όλα τα απαραίτητα εξαρτήματα που συνδέουν τις συσκευές με το μέσο επικοινωνίας.

Διασύνδεση σε λογικό επίπεδο

Πέραν από την φυσική διασύνδεση είναι αναμενόμενο ότι θα πρέπει να δημιουργηθεί και μια λογική σύνδεση μεταξύ των κόμβων που πρόκειται να επικοινωνήσουν. Η λογική σύνδεση αυτή πρέπει να περιλαμβάνει τα εξής:

  • Αποκατάσταση σύνδεσης: Η οποία πραγματοποιείται με μηχανισμούς λογικής σύνδεσης και ανεύρεσης του κόμβου προορισμού μέσω διευθυνσιοδότησης.

  • Μεταφορά δεδομένων: Η οποία υλοποιείται με λειτουργίες τεμαχισμού της προς μετάδοση πληροφορίας σε πακέτα μεταφοράς ίσου μεγέθους το καθένα. Ο κατακερματισμός της πληροφορίας είναι αναγκαίος διότι αλλιώς δεν μπορούμε να στείλουμε όλα τα δεδομένα κατευθείαν στο φυσικό μέσο λόγω του ότι θα έχουμε πολλά σφάλματα, αρκετή καθυστέρηση μέχρι να φτάσει στον δέκτη, συμφόρηση στο δίκτυο κλπ. Στην συνέχεια αφού η πληροφορία τεμαχιστεί σε πακέτα ίσου μεγέθους πραγματοποιείται:

    • Δρομολόγηση των πακέτων

    • Ανίχνευση λαθών και επαναμετάδοση

    • Έλεγχος ροής και ακολουθίας των πακέτων

    • Και τέλος η επανασυναρμολόγηση των πακέτων η οποία πραγματοποιείται στον κόμβο προορισμού προκειμένου να εξαχθεί η αρχική πληροφορία.

    Πέραν από την φυσική διασύνδεση είναι αναμενόμενο ότι θα πρέπει να δημιουργηθεί και μια λογική σύνδεση μεταξύ των κόμβων που πρόκειται να επικοινωνήσουν. Η λογική σύνδεση αυτή πρέπει να περιλαμβάνει τα εξής:

  • Τερματισμός σύνδεσης: Η οποία πραγματοποιείται με μηχανισμούς τερματισμού της σύνδεσης. Όλες οι διασυνδέσεις απαιτούν την χρήση πρωτοκόλλων επικοινωνίας τα οποία, ανεξάρτητα της αρχιτεκτονικής που χρησιμοποιείται, οργανώνονται σε ομάδες.

Τελευταία ενημέρωση: 19/05/2018






Follow us

 ☰