HY-335 : Δίκτυα Υπολογιστών Μαρία Παπαδοπούλη Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Κρήτης Χειμερινό εξάμηνο 2008-2009 Δ Ι Κ Τ Υ Α 3 5 3.

Παρουσίαση με θέμα: "HY-335 : Δίκτυα Υπολογιστών Μαρία Παπαδοπούλη Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Κρήτης Χειμερινό εξάμηνο 2008-2009 Δ Ι Κ Τ Υ Α 3 5 3."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 HY-335 : Δίκτυα Υπολογιστών Μαρία Παπαδοπούλη Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Κρήτης Χειμερινό εξάμηνο 2008-2009 Δ Ι Κ Τ Υ Α 3 5 3

2 Εισαγωγή - 2 Βασικά δομικά στοιχεία ενός δικτύου Κόμβοι: υπολογιστές, εξειδικευμένες συσκευές … Σταθμοί (τερματικά συστήματα) Δρομολογητές (μεταγωγείς)  Οι κόμβοι τρέχουν πρωτόκολλα Πρωτόκολλα δικτύων: ορίζουν τους κανόνες επικοινωνίας (format) και ελέγχουν την ανταλλαγή δεδομένων

3 Εισαγωγή - 3 Βασικά δομικά στοιχεία (συνέχεια) Σύνδεσμοι χάλκινα καλώδια ομοαξονικά καλώδια (σπάνια πλέον) οπτικές ίνες ασύρματες ζεύξεις Τρόποι σύνδεσης σημείο-προς-σημείο (point-to-point) πολλαπλή πρόσβαση (multiple access) …

4 Εισαγωγή - 4 Τι είναι δίκτυο επικοινωνίας; Ένα δίκτυο μπορεί να οριστεί αναδρομικά ως  δύο ή περισσότεροι κόμβοι που συνδέονται με συνδέσμους, ή Ιεραρχική δομή (Hierarchical structure)  δύο ή περισσότερα δίκτυα που συνδέονται με δύο ή περισσότερους συνδέσμους

5 Εισαγωγή - 5 Γιατί χρειαζόμαστε δίκτυα επικοινωνίας;

6 Εισαγωγή - 6 Γιατί χρειαζόμαστε δίκτυα επικοινωνίας; Αποδοτική αξιοποίηση δικτυακής υποδομής

7 Εισαγωγή - 7 Δίκτυα τηλεπικοινωνιών Τηλεφωνικό δίκτυο Κινητά δίκτυα Δίκτυο υπολογιστών (π.χ. Διαδίκτυο – Internet) Διαφοροποίηση ως προς: γεωγραφική κάλυψη ταχύτητα φυσικό μέσο/τεχνολογία υπηρεσίες και εφαρμογές Ένα μοναδικό δίκτυο που να υποστηρίζει όλες τις υπηρεσίες ήταν ο στόχος για πολύ καιρό… και μετά εμφανίστηκε το Διαδίκτυο…

8 Εισαγωγή - 8 Τύποι δικτύων υπολογιστών Δίκτυα τοπικής περιοχής Local Area Networks (LAN)  Μικρή γεωγραφική κάλυψη, υψηλή ταχύτητα Δίκτυα μητροπολιτικής περιοχής Metropolitan Area Networks (MAN)  Αστική κάλυψη, μέτριες έως υψηλές ταχύτητες Δίκτυα ευρείας περιοχής Wide Area Networks (WAN)  Ευρεία κάλυψη, μικρές έως μεσαίες ταχύτητες

9 Εισαγωγή - 9 Local Area Networks (LANs) Benefits of being “local”: Lower cost Short distance = faster links, low latency –Efficiency less pressing One management domain More homogenous Examples: Ethernet (IEEE802.3) Token ring, FDDI IEEE802.11 wireless Standard for LANs

10 Εισαγωγή - 10 Ethernet Originally developed at Xerox PARC in 1973–1975Xerox PARC based on the idea of computers communicating over a shared coaxial cable acting as a broadcast transmission medium Ethernet RJ45 connector

11 Εισαγωγή - 11 Wide Area Networks Distance makes things harder:  High(er) delays and cost  Need efficiency Larger size  Need scalability Heterogeneity Traffic types Host needs, application requirements Administrative diversity  Management harder Let’s look at one prominent example:

12 Εισαγωγή - 12 “The Internet” An inter-net: a network of networks A set of networks that are connected with each other Networks are connected using routers that support communication in a hierarchical fashion Often need other special devices at the boundaries for security, accounting,.. The Internet: the interconnected set of networks of the Internet Service Providers (ISPs) providing data communications services About 17,000 different networks make up the Internet To inter-operate, all participating networks have to follow a common set of rules

13 Εισαγωγή - 13 Thanks to David Miller from AT&T

14 Εισαγωγή - 14 Thanks to David Miller from AT&T

15 Εισαγωγή - 15 Διαδίκτυο/ευρυζωνικό δίκτυο (broadband) μία από τις πιο γρήγορες εφαρμογές που εισάχθηκαν ποτέ

16 Εισαγωγή - 16 Τεχνολογίες μέσα σε περίπου 30 χρόνια Άλλες τεχνολογίες που χρειάστηκαν περίπου ίδιο χρόνο εισαγωγής (“εισχώρησης”) στην κοινωνία: Αεροπλάνα: 1903-1938 (Stratoliner) Αυτοκίνητα: 1876-1908 (μοντέλο-T) Αναλογικά τηλέφωνα: 1876-1915 (διηπειρωτική τηλεφωνία) Σιδηρόδρομοι: 1820-1960 (διηπειρωτικοί σιδηρόδρομοι)

17 Εισαγωγή - 17 Σημαντικές τεχνολογίες “ The most profound technologies are those that disappear. They weave themselves into the fabric of everyday life until they are indistinguishable from it." Mark Weiser, 1991

18 Εισαγωγή - 18 Ιστορία των δικτύων Οι δικτυακές εφαρμογές αντικαθιστούν τις μη δικτυακές: Ταχυδρομείο και ενδοεταιρικά mail, fax → email, IM Μεταδόσεις: τηλεόραση, ράδιο Διαδραστική επικοινωνία μέσω φωνής, video → VOIP Πρόσβαση πληροφοριών → web, P2P Πρόσβαση δίσκων → iSCSI, Fiberchannel-over-IP

19 Εισαγωγή - 19 Βασικές ιστορικές στιγμές του Διαδικτύου 1962: Ο Paul Baran (Rand Corporation) προτείνει την μεταγωγή πακέτων 1969: Το Defense Advanced Research Projects Agency των ΗΠΑ χρηματοδοτεί ένα πρόγραμμα σε δίκτυα μεταγωγής πακέτων Δημιουργείται το ARPANET με τέσσερεις κόμβους 1974: Οι Vint Cerf και Bob Kahn δημοσιεύουν τους βασικούς μηχανισμούς του Transmission Control Protocol (TCP) 1982: Η ιεραρχία πρωτοκόλλων TCP/IP ορίζεται για το ARPANET 1984: Σύστημα καταλόγου ονομάτων (Domain Name System) 1986: Δημιουργείται το NSFNET (56 Kbps) 1992: Ο Tim Berners-Lee (CERN) σχεδιάζει τον Παγκόσμιο Ιστό (World Wide Web)

20 Εισαγωγή - 20 Εξέλιξη διαδικτύου & δικτύων στον χρόνο

21 Εισαγωγή - 21 NSFNET (1990)

22 Εισαγωγή - 22 Internet (1998)

23 Εισαγωγή - 23 Εξέλιξη δικτύου Τύποι που έχουν εξερευνηθεί πλήρως, βασισμένοι σε κελιά/πακέτα μηνύματα (μονάδες δεδομένων εφαρμογής) συνεδρίες (κυκλώματα)—session based Αντικατάσταση εξειδικευμένων δικτύων Δημιουργία ενσωματωμένων συστημάτων: –Απαραίτητο κόστος (επεξεργαστή και δικτύου) < 7 euro –Αυτοκίνητα –Βιομηχανικός (κατασκευαστικός) έλεγχος –Εμπορικά κτίρια (φωτισμός, HVAC,ασφάλεια; τώρα LONworks) –Απομακρυσμένος έλεγχος, διακόπτες φωτός –Αντικατάσταση των κλειδιών με βιομετρικά

24 Εισαγωγή - 24 Νέες εφαρμογές Με μεγάλες απαιτήσεις σε εύρος ζώνης (bandwidth) Δίκτυα βασισμένα στην πραγματικότητα Κάμερες (ασφαλείας) n Εύρεση πληροφορίας σε 3D n Virtual & augmented reality εφαρμογές Τα κατανεμημένα παιχνίδια συχνά απαιτούν μόνο μικρού εύρους ζώνης πληροφορίες ελέγχου Συνδυασμός υπολογισμού, επικοινωνίας και αποθήκευσης  Το κόστος αποθήκευσης έχει μειωθεί πιο ραγδαία από ότι το κόστος επικοινωνίας

25 Εισαγωγή - 25 Η αλλαγή είναι δύσκολη... Δεν έχουν αναπτυχθεί νέες δικτυακές υπηρεσίες από το ’80 Παγκόσμια αναβάθμιση Πρόβλημα «κότας-αυγού» (δίκτυο — λειτουργικό σύστημα) “Καινοτομία στις άκρες” Οι εφαρμογές είναι ευκολότερες όσο: Είναι βασισμένες στο TCP Ακολουθούν το μοντέλο πελάτη-εξυπηρετητή...αλλά υπάρχουν εξαιρέσεις  Peer-to-Peer …

26 Εισαγωγή - 26 Προτυποποίηση διαδικτύου International Telecommunications Union (ITU) Οργάνωση συνθήκης Ηνωμένων Εθνών Πρότυπα μετάδοσης (π.χ. modem: V.90) Παραδοσιακές τηλεφωνικές ηπυρεσίες, fax Internet Engineering Task Force (IETF) Πυρήνας: πρωτόκολλο διαδικτύου, μεταφοράς (TCP) Εφαρμογές: email, HTTP, FTP, SSH, NFS, VoIP Οχι: HTML, APIs W3C HTML, XML, schema, SOAP, semantic web,… OASIS Χρήση XML για ειδικές εφαρμογές Πολλοί άλλοι οργανισμοί

27 Εισαγωγή - 27 Η κλεψύδρα του πρωτοκόλλου του διαδικτύου διαστρωμάτωση

28 Εισαγωγή - 28 Γιατί η αρχιτεκτονική της κλεψύδρας; Γιατί χρειάζεται η διαδικτυακή διαστρωμάτωση; Δημιουργία μεγαλύτερου δικτύου Διεθνής διευθυνσιοδότηση Δημιουργία δικτύων έτσι ώστε να απομονωθούν τα πρωτόκολλα από τις λεπτομέρειες/αλλαγές των δίκτύων Γιατί ένα μοναδικό πρωτόκολλο δικτύου; Μεγιστοποίηση της διαλειτουργικότητας (interoperability) Ελαχιστοποίηση του αριθμού των διεπαφών υπηρεσιών Γιατί ένα στενό πρωτόκολλο δικτύου; Λιγότερη κοινή λειτουργία δικτύων για την μεγιστοποιήση του αριθμού χρησιμοποιήσιμων δικτύων

29 Εισαγωγή - 29 Η αρχιτεκτονική της κλεψύδρας-δίνοντας περισσότερο βάρος Απαιτεί περισσότερη λειτουργικότητα από τα υποκείμενα δίκτυα

30 Εισαγωγή - 30 Η κρίση της μέσης ηλικίας Διπλασιάζει τον αριθμό των διεπαφών υπηρεσιών Απαιτεί αλλαγές πάνω και κάτω Σημαντικά ζητήματα διαλειτουργικότητας

31 Εισαγωγή - 31 “Γιατί η αρχιτεκτονική πολυπλοκότητα είναι σαν το λίπος του σώματος” Φυσική τάση να το αποκτάμε όσο μεγαλώνουμε … Είναι πολύ εύκολο να το αποκτήσεις και πολύ δύσκολο να το ξεφορτωθείς Ο σχεδιασμός ενός απλού πρωτοκόλλου απαιτεί σκληρή δουλειά Είναι υγιές να έχεις λίγο από αυτό αλλά όχι πάρα πολύ Το να το έχεις στη μέση μπορεί να είναι χειρότερο από ότι αλλού Κάτι νεότερο και λεπτότερο τελικά θα αποδειχτεί καλύτερο Η αρχιτεκτονική πολυπλοκότητα οδηγεί σε μειωμένη ευκινησία Nεότερα και λιγότερο πολύπλοκα συστήματα τείνουν να αντικαθιστούν τα παλιότερα και περισσότερο σύνθετα ανεξαρτήτως του βάρους (θέση στην αγορά) του παλιού συστήματος. Μερικές φορές ο διαχωρισμός είναι ένας καλός τρόπος να αρχίσουμε Τα μακροπρόθεσμα αποτελέσματα απαιτούν διαρκή άσκηση

32 Εισαγωγή - 32 Αιτίες πολυπλοκότητας Πολυπλοκότητα Διαφορά υλοποίησης & χρόνου εκτέλεσης Διαφορά συστήματος-πρωτοκόλλου Βελτιώσεις μετά το γεγονός Ασφάλεια Διάσχηση ΝΑΤ Διεθνοποίηση (e.g DNS) Λάθος επίπεδο Πολυεκπομπές, ασφάλεια πρωτοκόλλου διαδικτύου Επιλογές Πολλά πρωτόκολλα μεταφοράς, IPv4, IPv6 Πολλά ειδικά πρωτόκολλα, IMAP, POP, SMTP “Χειρωνακτική” διαμόρφωση

33 Εισαγωγή - 33 Τεχνικές μετάδοσης Μεταγωγή κυκλωμάτων (circuit switching) μεταφορά (συνεχής) ακολουθίας από bits  παραδοσιακό τηλεφωνικό δίκτυο Μεταγωγή πακέτων (packet switching)  αποθήκευση-και-προώθηση (store-and-forward) μηνυμάτων Διαδίκτυο (Internet) Packet

34 Εισαγωγή - 34 Δίκτυα μεταγωγής κυκλωμάτων (circuit switched) Δημόσιο τηλεφωνικό δίκτυο Public Switched Telephone Network (PSTN) επικοινωνία με σύνδεση (connection-oriented) αξιόπιστο (reliable) ένας-προς-έναν (one-to-one) ή περιορισμένη επικοινωνία ένας-προς-πολλούς (one-to-many) η διαδρομή (route) καθορίζεται στην φάση δημιουργίας της κλήσης (call setup time)

35 Εισαγωγή - 35 Δίκτυα μεταγωγής κυκλωμάτων (circuit switched) l Source first establish a connection to the destination (circuit) l Each router or switch along the way may reserve some bandwidth to the data flow l Source sends the data over the circuit l No need to include the destination address with the data since the routers know the path l The connection is torn down Με κόκκινο συμβολίζομε την σύνδεση (circuit) SourceDestination

36 Εισαγωγή - 36 Circuit Switching (con’t) What about many connections? Many wires (e.g., those big 200-pair cables you sometimes see) A more practical approach is to multiplex multiple circuits over a single “fast” wire Can benefit from improvements in technology Fewer wires Multiplexing

37 Εισαγωγή - 37 Circuit Switching (con’td)  Circuits have some very attractive properties Fast and simple data transfer once the circuit has been established Predictable performance (e.g., guaranteed bandwidth) since the circuit provides isolation from other users  But it also has some shortcomings How about bursty traffic ? –circuit will be idle for significant periods of time How about users with different bandwidth needs –do they have to use multiple circuits Alternative: packet switching ….

38 Εισαγωγή - 38 Δίκτυα μεταγωγής πακέτων (packet switching)  Οι διαδρομές επιλέγονται δυναμικά μεταφορά πακέτων (packets–datagrams) αξιόπιστη ή μη αξιόπιστη επικοινωνία με σύνδεση (connection-oriented) ή χωρίς σύνδεση (connectionless) H AT&T είχε πει οτι δεν μπορούν να χτιστούν...

39 Εισαγωγή - 39 Δίκτυα μεταγωγής πακέτων (packet switching) Source sends information as self-contained packets that have an address Source may have to break up single message in multiple Each packet travels independently to the destination host Routers & switches use the address in the packet to determine how to forward the packets Analogy: a letter in surface mail