Εισαγωγή στην Πληροφορική

Transcript

1 ΤΕΙ ΙΟΝΙΩΝ ΝΗΣΩΝ ΣΧΟΛΗ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΚΑΙ ΟΙΚΟΝΟΜΙΑΣ ΤΜΗΜΑ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ - ΕΙΣ. ΚΑΤΕΥΘΥΝΣΗ ΔΙΟΙΚΗΣΗΣ ΤΟΥΡΙΣΤΙΚΩΝ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ ΚΑΙ ΕΠΙΧΕΙΡΗΣΕΩΝ ΦΙΛΟΞΕΝΙΑΣ Εισαγωγή στην Πληροφορική "Δίκτυα υπολογιστών" B. Φερεντίνος ver

2 Δίκτυα Το σύστημα που δημιουργείται όταν συνδέονται μεμονωμένα πράγματα Παραδείγματα δικτύων: Πόλεις, με δρόμους και αυτοκινητόδρομους Σταθμοί του μετρό, με σιδηροδρομικές γραμμές Υπολογιστές, με καλώδια ή ασύρματα Κινητά τηλέφωνα, ασύρματα Άνθρωποι, μέσω γνωριμιών

3 Δίκτυα Η/Υ Computer networks Μια ομάδα από δύο (τρία;) ή περισσότερα υπολογιστικά συστήματα που συνδέονται μεταξύ τους και μπορούν να επικοινωνούν να ανταλλάσσουν δεδομένα / πληροφορίες να μοιράζονται κοινές περιφερειακές συσκευές Σήμερα: εκατομμύρια υπολογιστές συνδεδεμένοι μέσω δικτύων ανταλλαγή τεράστιου όγκου δεδομένων σε μεγάλη ποικιλία τύπων πληροφορίας (π.χ. βίντεο, μουσική, φωτογραφία, κείμενο)

4 Παράγοντες διάκρισης δικτύων Γεωγραφική κατανομή / κλίμακα Φυσική τοπολογία Δικτυακό πρωτόκολλο Τρόπος σύνδεσης Τοπικό, ευρείας περιοχής κτλ. Αστέρα, δακτυλίου, αρτηρίας κτλ. TCP/IP, FTP, POP κτλ. Τύπος εκμετάλλευσης Σημείου προς σημείο, ανοικτής ακρόασης Ανοικτό (δημόσιας εκμετάλλευσης), κλειστό (αποκλειστικής εκμετάλλευσης)

5 Δομικά στοιχεία δικτύου Κόμβοι επικοινωνίας Φυσικό μέσο μεταφοράς ή σύνδεσμος Διατάξεις / συσκευές διασύνδεσης Λογισμικό δικτύου Λογισμικό εφαρμογών δικτύου

6 Είδη δικτύων Κλίμακα Wide Area Networks WAN (Ευρείας περιοχής) Καλύπτουν μεγάλη περιοχή, π.χ. χώρα ή ήπειρο Metropolitan Area Networks MAN (Μητροπολιτικά) Καλύπτουν μια πόλη Local Area Networks LAN (Τοπικά) Καλύπτουν μικρή περιοχή, π.χ. ένα κτίριο

7 Χαρακτηριστικά κάλυψης Αριθμός χρηστών δικτύου Ρυθμός μετάδοσης δεδομένων Περιθώριο λάθους μετάδοσης Τρόπος δρομολόγησης πακέτων από κόμβο σε κόμβο Καθυστέρηση μετάδοσης δεδομένων Μέγεθος συντελεστή σύζευξης (coupling coefficient) α = τ / Τ τ: η καθυστέρηση διάδοσης του σήματος από το ένα άκρο του δικτύου στο άλλο Τ: ο μέσος χρόνος μετάδοσης του πακέτου

8 Χαρακτηριστικά τοπικών δικτύων Κάλυψη: km Αριθμός σταθμών: περίπου 1000 Ρυθμός μετάδοσης: 1 Mbps 1 Gbps Ρυθμός λαθών: 1 bit στα 10 9 bits Καθυστέρηση: ms Συντελεστής σύζευξης: 0 < α << 1

9 Χαρ/κά μητροπολιτικών δικτύων Κάλυψη: km Αριθμός σταθμών: Ρυθμός μετάδοσης: 100 Mbps Ρυθμός λαθών: 1 bit στα 10 9 bits Καθυστέρηση: ms Συντελεστής σύζευξης: περίπου 1 (0.1 < α << 10)

10 Χαρ/κά δικτύων ευρείας περιοχής Κάλυψη: > 200 km Αριθμός σταθμών: > Ρυθμός μετάδοσης: > 1 Mbps Ρυθμός λαθών: 1 bit στα 10 6 bits Καθυστέρηση: ms Συντελεστής σύζευξης: α >> 1

11 Είδη δικτύων Τοπολογία Ring (Δακτυλίου) Star (Αστέρα) Mesh (Πλέγματος) Bus (Αρτηρία) Tree (Δενδρική)

12 Τοπολογία Δακτυλίου (Ring) Κυκλική σύνδεση υπολογιστών Μεταφορά δεδομένων προς μία κατεύθυνση Τα δεδομένα περνάνε από όλους τους υπολογιστές Ο κάθε υπολογιστής εξετάζει τα δεδομένα για να λαμβάνει αυτά που προορίζονται για αυτόν (+) - Δεν απαιτείται η ύπαρξη εξυπηρετητή (server) ( ) - Πρόβλημα σε κάποιον κόμβο προκαλεί ολική διακοπή του δικτύου - Αλλαγές σε κάποιον κόμβο προκαλούν αλλαγές στην απόδοση όλου του δικτύου

13 Τοπολογία Αστέρα (Star) Σύνδεση υπολογιστών σε έναν κεντρικό (συνήθως πιο ισχυρό) υπολογιστή (εξυπηρετητή server) Ο server ρυθμίζει την επικοινωνία των υπολογιστών μεταξύ τους Ο υπολογιστής που θέλει να επικοινωνήσει με κάποιον άλλο, πρέπει να στείλει αίτηση στον server (+) - υψηλή ταχύτητα μετάδοσης δεδομένων - ευκολία λειτουργίας - σχετική απομόνωση του κάθε υπολογιστή ( ) - ανάγκη ύπαρξης εξυπηρετητή, άρα πιθανό πρόβλημα σε αυτόν προκαλεί τη διακοπή λειτουργίας όλου του δικτύου

14 Τοπολογία Πλέγματος (Mesh) Συνδυασμός τοπολογιών αστέρα και δακτυλίου, χωρίς την ανάγκη ύπαρξης εξυπηρετητή (+) - αποκοπή ενός τμήματος του μέσου διασύνδεσης δεν συνεπάγεται ολική διακοπή του δικτύου - δυνατότητα ταυτόχρονης μετάδοσης δεδομένων από έναν υπολογιστή σε πολλούς ( ) - πολλοί σύνδεσμοι δεν χρησιμοποιούνται κατά τη μεγαλύτερη διάρκεια λειτουργίας του δικτύου

15 Τοπολογία Αρτηρίας (Bus) Σύνδεση υπολογιστών σε ένα κεντρικό καλώδιο (ethernet) Κατάλληλη τοπολογία για μικρά δίκτυα (+) - εύκολη εγκατάσταση και λειτουργία - πιθανή βλάβη ενός υπολογιστή δεν επηρεάζει τη λειτουργία του δικτύου ( ) - περιορισμός στο μήκος της αρτηρίας (κεντρικού καλωδίου) όριο στο πλήθος των κόμβων - καλή απόδοση δικτύου μόνο με μικρό πλήθος κόμβων - πιθανή βλάβη του καλωδίου προκαλεί κατάρρευση του δικτύου

16 Δενδρική τοπολογία (Tree) Βελτίωση της τοπολογίας αστέρα (star) Στην ουσία: πολλές διασυνδεδεμένες τοπολογίες αστέρα Ο κεντρικός κόμβος (Central hub) ελέγχει όλη την κίνηση του δικτύου Οι περισσότεροι υπολογιστές συνδέονται σε δευτερεύοντες κόμβους (hubs) (+) - ο κεντρικός κόμβος αυξάνει το μέγιστο μήκος που μπορεί να έχει το δίκτυο ( ) - απαιτείται μεγαλύτερη καλωδίωση από τις άλλες τοπολογίες (εκτός από την τοπολογία πλέγματος) - πιθανή βλάβη του central hub προκαλεί κατάρρευση του δικτύου

17 Συσκευές διασύνδεσης Repeater (επαναλήπτης) Για επέκταση του διαύλου συνδέσεων ethernet Hub Επιτρέπει τη σύνδεση πολλών Η/Υ σε έναν δίαυλο Bridge (γέφυρα) Διαιρεί το δίκτυο σε τμήματα που λειτουργούν σαν ξεχωριστοί δίαυλοι (αποφυγή συγκρούσεων αύξηση ταχύτητας) Switch Συνδυασμός hub και bridge δυνατότητα σύνδεσης πολλών Η/Υ με μεγάλες ταχύτητες σε δίκτυα αρτηρίας Router (δρομολογητής) (στο επόμενο slide) Gateway (πύλη) (στο επόμενο slide)

18 Συσκευές διασύνδεσης (συν.) Router (δρομολογητής) Για σύνδεση δικτύων Κατευθύνουν την κίνηση μεταξύ δικτύων Επικοινωνούν μεταξύ τους με συγκεκριμένα πρωτόκολλα Συνήθως χρησιμοποιούνται σε WAN και σχετικά μεγάλα LAN NAT (Network Address Translation) routers Gateway (πύλη) Στέλνουν πακέτα δεδομένων στο Internet εκ μέρους άλλων Η/Υ Χρησιμοποιούνται για τη σύνδεση πολλών Η/Υ στο Internet μέσω μίας κοινής σύνδεσης π.χ.: ADSL routers, proxy servers Μεταφράζει τα διαφορετικά πρωτόκολλα επικοινωνίας ώστε να μπορούν να συνδέονται μεταξύ τους δίκτυα διαφορετικού τύπου (τα πρωτόκολλα είναι κανόνες επικοινωνίας διαφορετικού τύπου δίκτυα χρησιμοποιούν διαφορετικά πρωτόκολλα επικοινωνίας)

19 Σχεδιασμός δικτύου Οριζόντια καλωδίωση switch ή hub

20 Σχεδιασμός δικτύου Κάθετη καλωδίωση Gigabit switch

21 Τεχνολογίες μεταγωγής δεδομένων Δίκτυα μεταγωγής κυκλώματος (circuit switching) Δίκτυα μεταγωγής μηνύματος (message switching) Δίκτυα μεταγωγής πακέτων (packet switching) Δίκτυο άμεσης διασύνδεσης Δίκτυο μεταγωγής με έμμεση διασύνδεση

22 Μεταγωγή κυκλώματος * Ταυτόχρονη εξασφάλιση όλων των φυσικών κυκλωμάτων που απαιτούνται για την επικοινωνία δύο συστημάτων με ενδιάμεσους κόμβους Εξασφάλιση σταθερού ρυθμού μετάδοσης Μειονεκτεί στην πλήρη εκμετάλλευση των φυσικών κυκλωμάτων Παραδείγματα: PSTN ISDN HSCSD (κινητά τηλ.) * Κύκλωμα: η φυσική σύνδεση μεταξύ δύο κόμβων του δικτύου

23 Μεταγωγή μηνύματος Εξασφάλιση ενός μόνο φυσικού κυκλώματος που απαιτείται για τη μετάδοση ολόκληρου του μηνύματος από κόμβο σε κόμβο Μη εξασφάλιση σταθερού ρυθμού μετάδοσης Μειονεκτεί στην πλήρη εκμετάλλευση των φυσικών κυκλωμάτων Παραδείγματα: Telex UUCP

24 Μεταγωγή πακέτων Μετάδοση της πληροφορίας σε πακέτα σταθερού μήκους Δρομολόγηση πακέτων διαφορετικών πηγών Αποτελεσματική πολυπλεξία (multiplexing) Δεν εξασφαλίζει σταθερό ρυθμό μετάδοσης Παραδείγματα: Internet LANs GPRS (κινητά τηλ.)

25 Πακέτα (Packages) Κατακερματισμός μεταδιδόμενων δεδομένων σε μικρά πακέτα Το κάθε πακέτο αποτελείται από: Επικεφαλίδα (header) Δεδομένα (payload) Επίλογο (trailer) Το header και το trailer περιέχουν πληροφορίες για τη σωστή μετάδοση του κάθε πακέτου

26 Πρωτόκολλα επικοινωνίας (protocols) Η περιγραφή της μορφής ψηφιακών μηνυμάτων και οι κανόνες ανταλλαγής τους μεταξύ των μελών ενός δικτύου Περιγράφουν τη σύνταξη, τη σημασιολογία (semantics) και το συγχρονισμό της επικοινωνίας Εφαρμόζονται σε hardware, σε software ή και στα δύο Συχνά πρωτόκολλα επικοινωνίας: TCP (Transmission Control Protocol) HTTP (Hypertext Transfer Protocol) FTP (File Transfer Protocol) POP3 (Post Office Protocol) IMAP (Internet Message Access Protocol)

27 Σύνδεση δικτύων LAN ίδιου πρωτοκόλλου

28 Σύνδεση δικτύων LAN διαφορετικού πρωτοκόλλου

29 Δίκτυα Client-Server Ο χρήστης του Η/Υ στέλνει αίτημα στον server σχετικά με την πληροφορία που θέλει Ο server επεξεργάζεται το αίτημα και επιστρέφει στο χρήστη την πληροφορία που του ζητήθηκε Ειδικό λογισμικό στον Η/Υ του χρήστη (client) μεταφέρει το αίτημα (request) στον server

30 Δίκτυα Client-Server: + / Πλεονεκτήματα: Ευκολία διαχείρισης και συντήρησης του δικτύου Μεγάλη ασφάλεια (τα δεδομένα βρίσκονται στον server) Ευκολία στην ενημέρωση λογισμικού (updates) Ποικιλία προηγμένου, ασφαλούς λογισμικού για τέτοιου τύπου δίκτυα Λειτουργία με διαφορετικούς τύπους clients, διαφορετικών δυνατοτήτων Μειονεκτήματα: Ο χρόνος απόκρισης του server μπορεί να αυξηθεί σημαντικά στην περίπτωση πολλαπλών ταυτόχρονων αιτημάτων από πολλούς clients Συγκεντρωτική αρχιτεκτονική ευάλωτη σε προβλήματα που μπορεί να παρουσιαστούν στον server

31 Δίκτυα Peer-to-Peer (P2P) Ο κάθε υπολογιστής (κόμβος peer) μοιράζεται τους πόρους του δικτύου ισοδύναμα (ισότιμοι κόμβοι) Πόροι του δικτύου: Επεξεργαστική ισχύς Αποθηκευτικός χώρος Εύρος ζώνης (bandwidth)

32 Δίκτυα P2P Βασική διαφορά από τα δίκτυα Client-Server: Στα P2P: οι κόμβοι (peers) είναι τόσο δέκτες όσο και παροχείς πόρων Στα client-server: οι κόμβοι είναι δέκτες πόρων και οι server παροχέας πόρων Βασικές αρχιτεκτονικές: Δομημένα P2P (structured): οι κόμβοι είναι οργανωμένοι με βάση συγκεκριμένους αλγόριθμους και κριτήρια Μη-δομημένα P2P (unstructured): δεν υπάρχει αλγόριθμος ή βελτιστοποίηση των δικτυακών συνδέσεων Σημαντικό στοιχείο: τμηματική μεταφορά δεδομένων (πακέτων) από/προς διάφορους κόμβους ταυτόχρονα

33 Τύποι μη-δομημένων P2P δικτύων Συγκεντρωτικά P2P δίκτυα (centralized) 1ης γενιάς Υπάρχει κεντρικός server για indexing Ο server ψάχνει τη ζητούμενη από το peer πληροφορία και όταν τη βρει, συνδέει άμεσα τους δύο peers για να γίνει η μεταφορά Παραδείγματα: Napster, WinMX Αποκεντρωτικά P2P δίκτυα (decentralized) 2ης γενιάς Κάθε peer λειτουργεί ταυτόχρονα και σαν client και σαν server Ο κάθε peer κάνει γνωστή την παρουσία του σε ένα μικρό δίκτυο, το οποίο συνδέεται σε ένα μεγαλύτερο δίκτυο, κ.ο.κ. Παραδείγματα: Kazaa, Gnutella P2P δίκτυα τρίτης γενιάς Εξέλιξη των αποκεντρωτικών δικτύων Νέα χαρακτηριστικά: ανωνυμία, συνεχής διαμερισμός και κωδικοποίηση αρχείων (αδύνατος ο έλεγχός τους από μεμονωμένο χρήστη)

34 Βασικές εφαρμογές δικτύων P2P Παροχή δεδομένων (π.χ. αρχείων μουσικής, video κτλ) Δικτυακές εφαρμογές Επιστημονικές εφαρμογές Τηλεπικοινωνίες File-sharing (Gnutella, bittorents) Παροχή λογισμικού (Linux, παιχνίδια) Streaming media (P2PTV) DNS (Domain Name System) Cloud computing BOINC (Berkeley Open Infrastructure for Network Computing) Προγράμματα βιοπληροφορικής VoIP Skype Instant messaging / online chat

35 Δίκτυα P2P: + / Πλεονεκτήματα: Με την αύξηση των κόμβων αυξάνεται και η συνολική χωρητικότητα (capacity) του δικτύου (π.χ., ισχύς, αποθηκευτικός χώρος, ταχύτητα) [σε αντίθεση με τα δίκτυα client-server] Κατανεμημένη (distributed) φύση αυξημένη ευρωστία (robustness) Δεν έχουν συγκεκριμένο σημείο αστοχίας (single point of failure) Πλέον παρέχουν αυξημένη ασφάλεια (π.χ. chunk verification) Μειονεκτήματα: Μπορεί να καταναλώνουν πολλούς πόρους ενός δικτύου (π.χ. κατά το filesharing πρόβλημα κυρίως για τους ISPs)

36 Φυσικά μέσα μετάδοσης Ενσύρματα μέσα (καλωδιακά) Ομοαξωνικά Συνεστραμμένων ζευγών (TP) Οπτική ίνα Ασύρματα μέσα Θωρακισμένα (STP) Αθωράκιστα (UTP) Κατευθυντική κεραία (directional) Πολυκατευθυντική κεραία (omni-directional)

37 Ομοαξωνικό καλώδιο Τύποι: Βασικής ζώνης (5mm 50 Ohm) Ευρείας ζώνης (10mm 75 Ohm)

38 Συνεστραμμένα ζεύγη Τύποι: Αθωράκιστα (UTP), Θωρακισμένα (STP)

39 Οπτικές ίνες Τύποι: πολύτροπες (α), (β) μονότροπες (γ)

40 Ενσύρματα μέσα μετάδοσης Ομοαξονικό Συνεστραμμένα ζεύγη Οπτικές ίνες Ρυθμός μετάδοσης 10 Mbps 1-2 Gbps με διαμόρφωση Cat 1: φωνή Cat 2-5: 100 Mbps Cat 6-7: 1 Gbps 100 Mbps δεκάδες Gbps (συνήθως Gbps) Απόσταση 100-δες μέτρα 10-δες μέτρα χιλιόμετρα Αναμεταδότες 3 4 km 3 4 km km Ευκολία εγκατάστασης Μέτρια Εύκολη Δύσκολη

41 Ασύρματα δίκτυα (wireless networks) Ραδιοκύματα (3 KHz 300 GHz) Ραδιοκύματα ευρείας εκπομπής (30 MHz 1 GHz) Μικροκύματα (2 GHz 40 GHz) Τύποι ασύρματων δικτύων: Ασύρματα δίκτυα ευρείας περιοχής (WWAN) Ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα (WMAN) Ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) Ασύρματα προσωπικά δίκτυα (WPAN) Δίκτυα κινητής τηλεφωνίας Δορυφορικές επικοινωνίες Ασύρματα δίκτυα αισθητήρων (WSNs)

42 Ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) ALOHAnet (Univ. of Hawaii) 1971: το πρώτο ασύρματο δίκτυο υπολογιστών Τύποι ασύρματων δικτύων: Peer-to-peer: ad-hoc (αδόμητο) δίκτυο για άμεση επικοινωνία μεταξύ κόμβων, χωρίς κεντρικό server Bridge: σύνδεση ενσύρματων δικτύων Ethernet μέσω ασύρματου δικτύου Δίκτυο ασύρματης διανομής: είτε για ασύρματη σύνδεση μεμονωμένων κόμβων με ένα ενσύρματο δίκτυο (ή και με το Internet), είτε για σύνδεση (και άρα επέκταση) πολλών ασύρματων δικτύων

43 WiFi: Βασική χρήση των WLAN Πολλοί Η/Υ (ή άλλες συσκευές) συνδέονται ασύρματα σε ένα router που παρέχει σύνδεση στο Internet Ο συγκεκριμένος router: WiFi hotspot Επικοινωνία συνήθως στη συχνότητα 2.4 GHz Χρήση του πρωτοκόλλου IEEE : Standard Δημιουργία Συχνότητα Ταχύτητα Εσ. εμβέλεια Εξ. εμβέλεια Ιούνιος GHz 2 Mbps 20 m 100 m a Σεπτ GHz 54 Mbps 35 m 120 m b Σεπτ GHz 11 Mbps 38 m 140 m g Ιούνιος GHz 54 Mbps 38 m 140 m n Οκτ / 5 GHz 150 Mbps 70 m 250 m