Antoni

∆ίκτυα Yπολογιστών I

Σηµείωση Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιµέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειµένων σύµφωνα µε τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστηµονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραµµάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδηµαϊκοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστηµών και Τεχνολογίας Πρόγραµµα Σπουδών

ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ Θεµατική Eνότητα

BΑΣΙΚΑ ΖΗΤΗΜΑΤΑ ∆ΙΚΤΥΩΝ Η/Υ Tόµος Γ'

∆ίκτυα Yπολογιστών I ΓΙΩΡΓΟΣ ΦΟΥΣΚΑΣ Eιδικός Λειτουργικός Eπιστήµονας ITE – EIXHMYΘ

ΠATPA 2002

ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστηµών και Τεχνολογίας Πρόγραµµα Σπουδών ΠΛHPOΦOPIKH Θεµατική Ενότητα BAΣIKA ZHTHMATA ∆IKTYΩN H/Y Τόµος Γ' ∆ίκτυα Yπολογιστών I Συγγραφή ΓIΩPΓOΣ ΦOYΣKAΣ Eιδικός Λειτουργικός Eπιστήµονας ITE – EIXHMYΘ Κριτική Ανάγνωση KΩNΣTANTINOΣ ΠAΠAN∆PEOY ∆ιδάκτωρ Tηλεπληροφορικής ∆ρ ΦΩTHΣ ΛIOTOΠOYΛOΣ Mηχανικός H/Y & Πληροφορικής ∆ρ MIXAHΛ ΠAPAΣKEYAΣ Hλεκτρολόγος Mηχανικός & Tεχνολογίας Yπολογιστών Ακαδηµαϊκός Υπεύθυνος για την επιστηµονική επιµέλεια του τόµου ΠAYΛOΣ ΣΠYPAKHΣ Kαθηγητής Tµήµατος Mηχανικών H/Y & Πληροφορικής Πανεπιστηµίου Πατρών Επιµέλεια στη µέθοδο της εκπαίδευσης από απόσταση IΩANNHΣ KOYTΣONIKOΣ Γλωσσική Επιµέλεια PΩΞANH KATΣH Τεχνική Επιµέλεια, Καλλιτεχνική Επιµέλεια, Σελιδοποίηση TYPORAMA Συντονισµός ανάπτυξης εκπαιδευτικού υλικού και γενική επιµέλεια των εκδόσεων ΟΜΑ∆Α ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΕΡΓΟΥ ΕΑΠ / 2002 ISBN: 960–538–468–X Kωδικός Έκδοσης: ΠΛH 22/3 Copyright 2000 για την Ελλάδα και όλο τον κόσµο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Οδός Παπαφλέσσα & Υψηλάντη, 26222 Πάτρα – Τηλ: (2610) 314094, 314206 Φαξ: (2610) 317244 Σύµφωνα µε το Ν. 2121/1993, απαγορεύεται η συνολική ή αποσπασµατική αναδηµοσίευση του βιβλίου αυτού ή η αναπαραγωγή του µε οποιοδήποτε µέσο χωρίς την άδεια του εκδότη.

¶ÂÚȯfiÌÂÓ· K∂º∞§∞π√ 1

∂ÈÛ·ÁˆÁ‹ ÛÙ· ¢›ÎÙ˘· H/Y

Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις .................................................................................................................................... 13 1.1

∆ικτυακές εφαρµογές Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

...........................................................................................................

15

1.1.1. O Παγκόσµιος Iστός (WWW) ........................................................................................... 15 .................

16

....................................................................

18

...........................................................................................................

19

................................................................................................................

20

.........................................................................................................................

20

1.1.2 Εφαρµογές των δικτύων Η/Υ – Μια συνοπτική παρουσίαση 1.1.3 Εφαρµογές στα µελλοντικά δίκτυα Η/Υ 1.2

∆ιασυνδεσιµότητα Προσδοκώµενα αποτελέσµατα 1.2.1 Σύνδεσµοι και κόµβοι 1.2.2 ∆ίκτυα µεταγωγής

1.2.3 ∆ίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος

........................................................................................

21

1.2.4 ∆ίκτυα µεταγωγής πακέτων – Μετάδοση µε αποθήκευση και προώθηση .................................................................................................................................... 22 1.2.5 ∆ιευθυνσιοδότηση και ∆ροµολόγηση

..........................................................................

1.2.6 ∆ίκτυα µεταγωγής πακέτων µε ιδεατά κυκλώµατα

..........................................

23 24

1.2.7 ∆ίκτυα µεταγωγής µε αυτοδύναµα πακέτα .............................................................. 24 ..............................

26

...........................................................................................................

26

1.2.8 Χαρακτηρισµός των δικτύων ως προς την έκτασή τους 1.3

∆ιαµοιρασµός πόρων Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

1.3.1 Πολύπλεξη χρόνου και πολύπλεξη συχνοτήτων

.................................................

27

1.3.2 Στατιστική πολύπλεξη ................................................................................................................ 28 1.4

Αξιοπιστία µεταφοράς Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

...........................................................................................................

1.4.1 Αιτίες των σφαλµάτων µεταφοράς

.................................................................................

1.4.2 Μηχανισµοί εντοπισµού και αντιµετώπισης

30 30

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

6

σφαλµάτων µεταφοράς .............................................................................................................. 31 ..........................................................................................

32

...........................................................................................................

33

1.4.3 ∆είκτης αξιόπιστης µεταφοράς 1.5

Απόδοση δικτύου Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

..............................................................................................

33

.....................................................................................................

34

1.5.1 ∆ιαµετακοµιστική Ικανότητα 1.5.2 Καθυστέρηση Μεταφοράς

1.5.3 Χαρακτηρισµός της απόδοσης δικτύου

......................................................................

35

Σύνοψη κεφαλαίου ......................................................................................................................................................... 37 Bιβλιογραφία ..................................................................................................................................................................... 38 K∂º∞§∞π√ 2

∞Ú¯ÈÙÂÎÙÔÓÈ΋ ¢ÈÎÙ‡Ô˘

Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις .................................................................................................................................... 39 2.1

Αρχιτεκτονικές δικτύων σε επίπεδα Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

........................................................................................................... ...................................................................................

43

.......................................................................................................................................

47

2.1.1 ∆ιαστρωµάτωση και πρωτόκολλα 2.1.2 Ενθυλάκωση 2.2

Το µοντέλο αναφοράς OSI Προσδοκώµενα αποτελέσµατα 2.2.1 Το Φυσικό Επίπεδο

...........................................................................................................

49

.......................................................................................................................

51

...................................................................................

51

.....................................................................................................................

52

2.2.2 Το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων 2.2.3 Το Επίπεδο ∆ικτύου

............................................................................................................

53

....................................................................................................................

54

2.2.4 Το Επίπεδο Μεταφοράς 2.2.5 Το Επίπεδο Συνόδου

.......................................................................................................

55

.............................................................................................................

55

2.2.6 Το Επίπεδο Παρουσίασης 2.2.7 Το Επίπεδο Εφαρµογής 2.3

41

Η αρχιτεκτονική του ∆ιαδικτύου Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

...........................................................................................................

57

¶EPEXOMENA

7

2.3.1 Το Επίπεδο Πρόσβασης ∆ικτύου ...................................................................................... 58 2.3.2 Το Επίπεδο ∆ικτύου

.....................................................................................................................

59

2.3.3 Το Επίπεδο Μεταφοράς

............................................................................................................

59

2.3.4 Το Επίπεδο Εφαρµογής

.............................................................................................................

60

Σύνοψη κεφαλαίου ......................................................................................................................................................... 61 Bιβλιογραφία ..................................................................................................................................................................... 63 K∂º∞§∞π√ 3

∞¢ı›·˜ ™‡Ó‰ÂÛË KfiÌ‚ˆÓ

Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις .................................................................................................................................... 65 3.1

Πλαισίωση Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

...........................................................................................................

3.1.1 Πρωτόκολλα πλαισίωσης µε οργάνωση ανά byte

.............................................

68 69

3.1.2 Πρωτόκολλα πλαισίωσης µε οργάνωση ανά bit .................................................. 72 ...........................

73

...........................................................................................................

77

3.1.3 Πρωτόκολλα πλαισίωσης βασισµένα σε καθολικό ρολόι 3.2

Εντοπισµός σφαλµάτων Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

.........................................................................................

78

...........................................................................................................

83

3.2.1 Έλεγχος κυκλικού πλεονασµού 3.3

∆ιόρθωση σφαλµάτων Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

3.3.1 Γραµµικοί κώδικες δέσµης

....................................................................................................

84

3.3.2 ∆υνατότητες διόρθωσης σφαλµάτων ............................................................................ 85 3.3.3 Η λειτουργία της κωδικοποίησης

.....................................................................................

3.3.4 ∆ιόρθωση σφαλµάτων µε Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης

....................................

87 88

Σύνοψη κεφαλαίου ......................................................................................................................................................... 93 Bιβλιογραφία ..................................................................................................................................................................... 95

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

8

K∂º∞§∞π√ 4

¶ÚˆÙfiÎÔÏÏ· E·ÓÂÎÔÌ‹˜

Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις .................................................................................................................................... 97 4.1

Βασικές αρχές στην επανεκποµπή πλαισίων Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

...........................................................................................................

99

4.1.1 Η επιβεβαίωση λήψης και ο χρόνος προθεσµίας ................................................ 99 4.1.2 Η αρίθµηση των πλαισίων

..................................................................................................

101

4.1.3 Η αρίθµηση στις επιβεβαιώσεις λήψης .................................................................... 102 4.1.4 Η απόδοση ενός πρωτοκόλλου επανεκποµπής .................................................. 103 4.2

Το πρωτόκολλο εναλλασσοµένου bit Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

........................................................................................................

105

4.2.1 Ο τρόπος λειτουργίας του πρωτοκόλλου ABP .................................................. 105 ............................................................................

106

...............................................................................................

110

4.2.2 Η απόδοση του πρωτοκόλλου ABP 4.2.3 Το πρωτόκολλο XMODEM 4.3

Το πρωτόκολλο οπισθoχώρησης κατά N Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

........................................................................................................ ............................

112

......................................................

115

........................................................................

118

........................................................................................................

120

4.3.1 Ο τρόπος λειτουργίας του πρωτοκόλλου GO BACK N 4.3.2 Η απόδοση του πρωτοκόλλου GO BACK N 4.3.3 Εφαρµογή της τεχνικής GBN στα δηµόσια δίκτυα δεδοµένων Χ.25 4.4

112

Το πρωτόκολλο επιλεκτικής επανάληψης Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

4.4.1 Ο τρόπος λειτουργίας του πρωτοκόλλου SRP ................................................... 121 4.4.2 Η απόδοση του πρωτοκόλλου SRP

.............................................................................

124

Σύνοψη κεφαλαίου...................................................................................................................................................... 126 Bιβλιογραφία .................................................................................................................................................................. 128

¶EPEXOMENA

9

K∂º∞§∞π√ 5

∆ÔÈο ¢›ÎÙ˘·

Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά, Eισαγωγικές παρατηρήσεις ................................................................................................................................ 129 5.1

Η αρχιτεκτονική των τοπικών δικτύων Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

........................................................................................................ .................................

132

............................................................................................

134

5.1.1 Τα πρωτόκολλα LAN και το µοντέλο αναφοράς OSI 5.1.2 Τοπολογίες τοπικών δικτύων

132

5.1.3 Μηχανισµοί ελέγχου προσπέλασης του φυσικού µέσου

..........................

136

5.1.4 Μέθοδοι µετάδοσης στα τοπικά δίκτυα ................................................................... 139 5.2

∆ίκτυα IEEE 802.3 (Ethernet) Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

........................................................................................................ ..................................................................................................

142

................................................................................................................

143

5.2.1 Κατηγορίες δικτύων 802.3 5.2.2 Το υποεπίπεδο MAC

141

5.2.3 Υλοποίηση δικτύων Ethernet µε µεταγωγείς

......................................................

147

5.2.4 Ιδεατά τοπικά δίκτυα (VLANs) ...................................................................................... 149 5.3

∆ίκτυα δακτυλίου µε κουπόνι Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

........................................................................................................ ...........................................

154

................................................................................................................

156

5.3.1 Ο τρόπος λειτουργίας του δακτυλίου µε κουπόνι 5.3.2 Το υποεπίπεδο MAC 5.4

153

∆ίκτυα FDDI Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

........................................................................................................

160

5.4.1 Ο τρόπος λειτουργίας του FDDI .................................................................................... 161 5.4.2 Το υποεπίπεδο MAC 5.5

................................................................................................................

Ασύρµατα τοπικά δίκτυα 802.11 Προσδοκώµενα αποτελέσµατα

........................................................................................................

5.5.2 Το υποεπίπεδο MAC

168

.................................................................................

170

................................................................................................................

174

5.5.1 Ο τρόπος λειτουργίας του 802.11

5.6

162

Επίπεδο Eλέγχου Λογικής Σύνδεσης

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

10

Προσδοκώµενα αποτελέσµατα 5.6.1 Τύποι υπηρεσιών

........................................................................................................

176

.........................................................................................................................

177

5.6.2 Η µορφή του πλαισίου LLC

..............................................................................................

178

Σύνοψη κεφαλαίου...................................................................................................................................................... 179 Bιβλιογραφία .................................................................................................................................................................. 181 Aπαντήσεις Aσκήσεων Aυτοαξιολόγησης ............................................................................................... 183 Ενδεικτικές Απαντήσεις ∆ραστηριοτήτων .............................................................................................. 213 Γλωσσάρι όρων ............................................................................................................................................................. 221

στον Κωνσταντούλα… ¶ÚfiÏÔÁÔ˜

Η ραγδαία εξέλιξη της τεχνολογίας στο χώρο των τηλεπικοινωνιών δυσκολεύει τη συγγραφή ενός βιβλίου για τα δίκτυα υπολογιστών, καθώς το περιεχόµενό του µπορεί πολύ σύντοµα να γίνει ανεπίκαιρο. Σε αυτό το εισαγωγικό βιβλίο περιγράφουµε τις βασικές αρχές λειτουργίας και σχεδίασης δικτύων Η/Υ, προβάλλοντας, όπου υπάρχουν, πραγµατικά και επιτυχηµένα παραδείγµατα. Σκοπός του είναι να βοηθήσει τον αναγνώστη να αποκτήσει το αναγκαίο υπόβαθρο γνώσης για την κατανόηση των δικτύων υπολογιστών και της συντελούµενης εξέλιξής τους. Το βιβλίο αυτό αποτελεί µέρος του εκπαιδευτικού υλικού (3ος Τόµος) της Θεµατικής Ενότητας «Βασικά Ζητήµατα ∆ικτύων Η/Υ», του Προγράµµατος Σπουδών «Πληροφορική» του Ε.Α.Π., και συµπληρώνεται µε τον τόµο «∆ίκτυα Υπολογιστών ΙΙ». Έχει γραφτεί µε τρόπο κατάλληλο για εξ΄ αποστάσεως εκπαίδευση, ορίζοντας µε σαφήνεια τους στόχους και τα προσδοκώµενα αποτελέσµατα των Κεφαλαίων και των επιµέρους Ενοτήτων και εµπλουτίζοντας το κείµενο µε Παραδείγµατα, Ασκήσεις αυτοαξιολόγησης και ∆ραστηριότητες. Οργάνωση του Βιβλίου Στο 1ο Κεφάλαιο περιγράφουµε τις γενικές απαιτήσεις που θα πρέπει να ικανοποιεί ένα δίκτυο υπολογιστών, έτσι ώστε να µπορεί να υποστηρίξει ένα τυπικό σύνολο δικτυακών εφαρµογών. Αρχικά κάνουµε µία συνοπτική αναφορά σε δηµοφιλείς εφαρµογές δικτύου και στη συνέχεια επεξηγούµε µερικούς βασικούς όρους και τεχνικές όπως π.χ. µεταγωγή κυκλώµατος και πακέτων, διευθυνσιοδότηση και δροµολόγηση, πολύπλεξη, απόδοση δικτύου, κ.ά. Για να ελαττώσουµε το βαθµό πολυπλοκότητας στη σχεδίαση, οργανώνουµε τα δίκτυα σε σειρές από στρώµατα ή επίπεδα και στα αντίστοιχα πρωτόκολλά τους. Στο 2ο Κεφάλαιο του βιβλίου εξηγούµε αρχικά την ανάγκη και τα πλεονεκτήµατα αυτής της διαστρωµάτωσης και κατόπιν παρουσιάζουµε τις βασικές ιδέες της αρχιτεκτονικής δικτύων υπολογιστών. Στη συνέχεια, περιγράφουµε το µοντέλο αναφοράς για τη διασύνδεση ανοικτών συστηµάτων OSI και την αρχιτεκτονική του ∆ιαδικτύου. Στο 3ο Κεφάλαιο παρουσιάζουµε τα κύρια πρωτόκολλα πλαισίωσης της πληροφορίας, τα οποία κατατάσσουµε σε τρεις κατηγορίες: στα πρωτόκολλα όπου το πλαίσιο θεωρείται ως ένα σύνολο από bytes, σε αυτά που το πλαίσιο θεωρείται ως µία συλλογή από bits και, τέλος, σε αυτά όπου η πλαισίωση βασίζεται σε ένα καθολικό

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

12

ρολόι που λειτουργεί σε όλο το εύρος του δικτύου. Κατόπιν, περιγράφουµε τον έλεγχο κυκλικού πλεονασµού, ως τον χαρακτηριστικότερο και πλέον ευρέως χρησιµοποιούµενο µηχανισµό εντοπισµού σφαλµάτων µεταφοράς. Στο 3ο Κεφάλαιο καταλήγουµε µε τα χαρακτηριστικά και τις ιδιότητες των γραµµικών κωδίκων δέσµης, µία βασική τεχνολογία για την αυτόµατη διόρθωση των σφαλµάτων µεταφοράς κατά την άφιξη των πλαισίων πληροφορίας στον τελικό παραλήπτη. Στο 4ο Κεφάλαιο παρουσιάζουµε αρχικά κάποιες βασικές αρχές που πρέπει να ακολουθούν οι διαδικασίες επανεκποµπής πλαισίων και στη συνέχεια περιγράφουµε εκτενώς τρία ευρέως χρησιµοποιούµενα πρωτόκολλα επανεκποµπής πλαισίων, τα οποία µας εξασφαλίζουν µία αξιόπιστη µετάδοση, απαλλαγµένη από σφάλµατα µεταφοράς, πάνω από ένα αναξιόπιστο κανάλι επικοινωνίας. Σε καθένα από αυτά εξηγούµε τον τρόπο λειτουργίας του και αναλύουµε την αποδοτικότητά του, δίνοντας παράλληλα και κάποια χαρακτηριστικά παραδείγµατα υλοποίησής του. Στο 5ο Κεφάλαιο ασχολούµαστε µε τα τοπικά δίκτυα υπολογιστών. Αρχικά παρουσιάζουµε την αρχιτεκτονική και τα γενικά χαρακτηριστικά των τοπικών δικτύων, επικεντρώνοντας την προσοχή µας στις τοπολογίες τοπικών δικτύων, στον έλεγχο προσπέλασης του φυσικού µέσου και στις µεθόδους µετάδοσης. Στη συνέχεια περιγράφουµε αναλυτικά τους τέσσερις τύπους τοπικών δικτύων που έχουν καθολικά επικρατήσει στην αγορά. Αυτά είναι τα ενσύρµατα δίκτυα Ethernet/IEEE 802.3, ∆ακτυλίου µε Κουπόνι/IEEE 802.5 και FDDI και τα ασύρµατα δίκτυα IEEE 802.11. Ευχαριστίες Από τη θέση αυτή θα ήθελα να ευχαριστήσω όλους όσοι συνέβαλαν, ο καθένας µε το δικό του τρόπο, στην παραγωγή και την ολοκλήρωση αυτού του βιβλίου. Ειδικότερα, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους κ.κ. Κωνσταντίνο Παπανδρέου, Φώτη Λιοτόπουλο, Μιχάλη Παρασκευά και Ιωάννη Κουτσονίκο για την εξαντλητική κριτική ανάγνωση του κειµένου, τα εύστοχα σχόλια και τις χρήσιµες υποδείξεις που ανέπτυξαν, και τον κ. Παύλο Σπυράκη, Ακαδηµαϊκό Υπεύθυνο της Θ.Ε., για τη θεµατική καθοδήγησή του. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω την κα ∆ήµητρα Παρασκευοπούλου για τη φιλική της στάση, την υποµονή της και τη βοήθεια που απλόχερα µου προσέφερε σε όλα τα στάδια συγγραφής αυτού του κειµένου. Γιώργος Κ. Φούσκας Μάιος 2002

∫

∂ÈÛ·ÁˆÁ‹ ÛÙ· ¢›ÎÙ˘· H/Y ™ÎÔfi˜

∂

1 º

Σε αυτό το κεφάλαιο θα γνωρίσουµε τις γενικές απαιτήσεις που θα πρέπει να ικανοποιεί ένα δίκτυο υπολογιστών έτσι ώστε να µπορεί να υποστηρίξει ένα τυπικό σύνολο δικτυακών εφαρµογών.

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτό το κεφάλαιο, θα µπορείτε να: • δώσετε πέντε παραδείγµατα τυπικών δικτυακών εφαρµογών, • εξηγήσετε τις τρεις διαφορετικές µορφές έµµεσης διασύνδεσης υπολογιστών, • αναλύσετε την αποδοτικότερη τεχνική µετάδοσης πληροφορίας στα δίκτυα υπολογιστών, • περιγράψετε τις τρεις βασικές τεχνικές διαµοιρασµού πόρων στα δίκτυα υπολογιστών, • αναφέρετε τρεις αιτίες εµφάνισης και τρεις τρόπους αντιµετώπισης των σφαλµάτων µεταφοράς πληροφορίας, • προσδιορίσετε δύο δείκτες µέτρησης της απόδοσης δικτύου.

ŒÓÓÔȘ ÎÏÂȉȿ

• δίκτυα µεταγωγής

• µετάδοση µε αποθήκευση και προώθηση

• καθυστέρηση µεταφοράς

• πολύπλεξη χρόνου

• µεταγωγή αυτοδύναµων πακέτων

• στατιστική πολύπλεξη

• µεταγωγή πακέτων

• χρόνος διάδοσης

• µεταγωγή πακέτων µε ιδεατά κυκλώµατα

• χρόνος µετάδοσης

• διαµετακοµιστική ικανότητα

• µεταγωγή κυκλώµατος

∞

§

∞

π

√

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

14

∂ÈÛ·ÁˆÁÈΤ˜ ·Ú·ÙËÚ‹ÛÂȘ Τα δίκτυα υπολογιστών (computer networks) ανήκουν στη γενικότερη κατηγορία των τηλεπικοινωνιακών δικτύων (telecommunication networks), δηλαδή σε εκείνα τα κατανεµηµένα συστήµατα που επιτρέπουν στους χρήστες τους να µεταβιβάζουν ή να ανταλλάσσουν πληροφορίες. Τα πλέον γνωστά και εκτεταµένα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα είναι το τηλεφωνικό δίκτυο και το δίκτυο της τηλεόρασης. ∆ύο είναι τα κύρια σηµεία που έχουν κοινά αυτά τα δίκτυα. Το πρώτο είναι ότι έχουν σχεδιαστεί ειδικά για την εξυπηρέτηση µιας συγκεκριµένης υπηρεσίας (για τη µετάδοση φωνής και την εκποµπή κινούµενης εικόνας και ήχου, αντίστοιχα). Το δεύτερο είναι ότι απαιτούν ειδικό τερµατικό εξοπλισµό για τη λειτουργία τους (τις συσκευές τηλεφώνου και τηλεόρασης, αντίστοιχα). Τι είναι αυτό που διαφοροποιεί τα δίκτυα Η/Υ από τα παραπάνω δίκτυα; Ίσως το πιο σηµαντικό χαρακτηριστικό των δικτύων υπολογιστών είναι η γενικότητά τους. Τα δίκτυα Η/Υ αναπτύσσονται και λειτουργούν κυρίως µε προγραµµατιζόµενες συσκευές γενικού σκοπού (π.χ. µία τερµατική συσκευή δικτύου Η/Υ µπορεί να είναι και ο προσωπικός σας υπολογιστής, δηλαδή η ίδια συσκευή µε την οποία γράφετε τα κείµενά σας, εκτελείτε τους υπολογισµούς σας, τηρείτε τα λογιστικά σας βιβλία κ.ά.). Και επειδή αυτές οι συσκευές δεν έχουν σχεδιαστεί για την εξυπηρέτηση µιας µόνο µορφής αναπαράστασης πληροφορίας (όπως, π.χ. η φωνή ή το σήµα τηλεόρασης), έχουν τη δυνατότητα να εξυπηρετούν πολλές διαφορετικές µορφές αναπαράστασης της πληροφορίας. Έτσι, τα δίκτυα υπολογιστών µπορούν να υποστηρίζουν µια µεγάλη (και ολοένα αυξανόµενη) ποικιλία εφαρµογών.

1 . 1 ¢ π ∫ ∆ À∞ ∫ ∂ ™ ∂ º ∞ ƒ ª √ ° ∂ ™

1.1 ¢ÈÎÙ˘·Î¤˜ ÂÊ·ÚÌÔÁ¤˜

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτή την ενότητα, θα µπορείτε να: • δώσετε πέντε παραδείγµατα υπηρεσιών στο ∆ιαδίκτυο, • εξηγήσετε πώς αυξάνει τη λειτουργικότητα των Η/Υ η διασύνδεσή τους σε δίκτυο, • περιγράψετε τρεις µελλοντικές δικτυακές υπηρεσίες που αναµένουµε να επηρεάσουν την καθηµερινή ζωή µας, Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζουµε αρχικά τη γνωστότερη δικτυακή υπηρεσία, τον Παγκόσµιο Ιστό. Κατόπιν κάνουµε µια συνοπτική αναφορά σε µερικές άλλες εφαρµογές δικτύου που χρησιµοποιούνται ευρέως, αλλά και σε εφαρµογές που περιµένουµε να δούµε στα µελλοντικά δίκτυα Η/Υ. 1.1.1 √ ¶·ÁÎfiÛÌÈÔ˜ πÛÙfi˜ (WWW)

Ο Παγκόσµιος Ιστός (World Wide Web – WWW) είναι µια σχετικά πρόσφατη δικτυακή υπηρεσία, που γνώρισε καθολική αποδοχή. Η επιτυχία του ήταν τέτοια, που οδήγησε στη ραγδαία εξάπλωση του ∆ιαδικτύου (Internet) – ο περισσότερος κόσµος, άλλωστε, τον θεωρεί συνώνυµο του ∆ιαδικτύου. Ο Παγκόσµιος Ιστός αποτελεί µια τεράστια συλλογή πληροφοριών, αποθηκευµένων σε διάφορες µορφές (κείµενο, εικόνα, ήχος, κινούµενη εικόνα και γραφικά κ.ά.). Αυτή η συλλογή είναι κατανεµηµένη και διατίθεται στο ∆ιαδίκτυο µέσω ειδικών εφαρµογών, που ονοµάζονται εξυπηρετητές Παγκοσµίου Iστού (WWW servers). Κάθε χρήστης του ∆ιαδικτύου µπορεί να περιηγηθεί στον Παγκόσµιο Ιστό και να προσπελάσει τις διαθέσιµες πληροφορίες χρησιµοποιώντας µια ειδική εφαρµογή – πελάτη, που ονοµάζεται πρόγραµµα περιήγησης Π.I. (WWW browser). Κατά τη διάρκεια µιας περιήγησης, η διεύθυνση προορισµού ορίζεται µε µοναδικό τρόπο, όπως, π.χ. η ακόλουθη: http://www.parliament.gr/videoaudio/default.htm Πληκτρολογώντας την παραπάνω διεύθυνση, ζητάµε από το πρόγραµµα περιήγησης να συνδεθεί µε τον εξυπηρετητή Π.I. του Ελληνικού Κοινοβουλίου (www.parliament.gr) και να προσπελάσει την ιστοσελίδα «videoaudio/default.htm», έτσι ώστε να παρακολουθήσουµε «ζωντανά» µια συνεδρίαση της Ολοµέλειας της Βουλής. Στην Εικόνα 1.1 απεικονίζεται ένα στιγµιότυπο µιας συνεδρίασης του

15

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

16

∂ÈÎfiÓ· 1.1

Ένα στιγµιότυπο της συνεδρίασης της Ολοµέλειας της Βουλής, όπως το βλέπουµε µέσα από τον Παγκόσµιο Ιστό.

Σεπτεµβρίου 2002, όπως το βλέπουµε µέσα από τον Παγκόσµιο Ιστό. Το παραπάνω παράδειγµα µας έδωσε την ευκαιρία να παρουσιάσουµε δύο πολύ χρήσιµους όρους: τον πελάτη και τον εξυπηρετητή µιας υπηρεσίας. Στην πλειοψηφία τους, οι δικτυακές υπηρεσίες προσφέρονται ακολουθώντας αυτό το µοντέλο. 1.1.2 ∂Ê·ÚÌÔÁ¤˜ ÙˆÓ ‰ÈÎÙ‡ˆÓ ∏/À – ªÈ· Û˘ÓÔÙÈ΋ ·ÚÔ˘Û›·ÛË

Σε αυτό το τµήµα θα παραθέσουµε συνοπτικά µερικές εφαρµογές των δικτύων Η/Υ, αρχίζοντας από τις ευρέως χρησιµοποιούµενες υπηρεσίες του ∆ιαδικτύου. Υπηρεσίες στο ∆ιαδίκτυο Ο κατάλογος των υπηρεσιών ∆ιαδικτύου που ακολουθεί απέχει πολύ από το να χαρακτηριστεί πλήρης, είναι όµως αντιπροσωπευτικός: • Ηλεκτρονικό ταχυδροµείο (e – mail): είναι η ηλεκτρονική εκδοχή του παραδοσιακού ταχυδροµείου. Ο χρήστης χρησιµοποιεί µια εφαρµογή «πελάτη e – mail» για να αποστείλει τα µηνύµατά του στο ηλεκτρονικό ταχυδροµικό κουτί του παραλήπτη, το οποίο φυλάσσεται σε κάποιον εξυπηρετητή e – mail. Ανάλογη εφαρµογή πελάτη χρησιµοποιεί ο χρήστης και για τη λήψη των προσωπικών του µηνυµάτων από τον εξυπηρετητή και την ανάγνωσή τους. • Μεταφορά αρχείων (file transfer, ftp): ο χρήστης µπορεί να συνδεθεί µε έναν εξυ-

1 . 1 ¢ π ∫ ∆ À∞ ∫ ∂ ™ ∂ º ∞ ƒ ª √ ° ∂ ™

17

πηρετητή διάθεσης αρχείων, στον οποίο έχει πρόσβαση, να δει τα περιεχόµενά του και να ανακτήσει ή να αποθηκεύσει αξιόπιστα πλήθος αρχείων από/σε αυτόν. • Οµάδες ειδήσεων (newsgroup): είναι το ηλεκτρονικό ισοδύναµο των παραδοσιακών πινάκων ανακοινώσεων. Η αντίστοιχη εφαρµογή – πελάτης του χρήστη συνδέεται µε τον εξυπηρετητή οµάδων ειδήσεων, επιλέγει µία ή περισσότερες οµάδες ειδήσεων και διαβάζει επιλεκτικά τα άρθρα που τον ενδιαφέρουν. Επιπλέον, µπορεί να δηµοσιεύσει και ένα δικό του άρθρο σε κάποια οµάδα ειδήσεων. • Ανοικτή συνοµιλία (Internet Relay Chat, IRC): διάφοροι εξυπηρετητές ανοικτής συνοµιλίας στο ∆ιαδίκτυο σάς δίνουν τη δυνατότητα να συζητήσετε µε ένα ή περισσότερα άτοµα θέµατα κοινού ενδιαφέροντος. Για τη σύνδεση απαιτείται η χρήση ειδικής εφαρµογής – πελάτη και συνήθως παρέχεται η δυνατότητα µετάδοσης φωνής και εικόνας. Εφαρµογές στον εργασιακό χώρο Η χρήση των υπολογιστών έχει µεγάλη επίδραση στον εργασιακό χώρο. Επιπλέον, η διασύνδεσή τους σε δίκτυο Η/Υ αυξάνει τη λειτουργικότητά τους προσθέτοντας δυνατότητες όπως, π.χ. οι ακόλουθες: • ∆ιαµοιρασµός εφαρµογών: οι ακριβές εφαρµογές (όπως, π.χ. ένα στατιστικό πακέτο, ένας προσοµοιωτής ή ένα εικονικό εργαστήριο) µπορούν να χρησιµοποιούνται ταυτόχρονα από διάφορους χρήστες στο εταιρικό δίκτυο, χωρίς να είναι απαραίτητη η εγκατάστασή τους σε καθενός τον υπολογιστή ξεχωριστά. • ∆ιαµοιρασµός περιφερειακών συσκευών: όλα τα συστήµατα του εταιρικού δικτύου θα µπορούν να χρησιµοποιούν ακριβές περιφερειακές συσκευές, όπως, π.χ. έναν έγχρωµο εκτυπωτή laser, ένα σαρωτή υψηλής ευκρίνειας κ.ά. • ∆ιαµοιρασµός αρχείων: διάφορα κοινόχρηστα αρχεία (π.χ., το αρχείο διαθέσιµων υλικών µιας αποθήκης) µπορούν να αποθηκεύονται σε ένα µόνο υπολογιστή του δικτύου και να επιτρέπεται η ελεγχόµενη προσπέλασή τους σε όλους τους υπολογιστές των ενδιαφερόµενων χρηστών. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 1.1 Ας θεωρήσουµε ότι µπορούµε να προσπελάσουµε το αρχείο διαθέσιµων υλικών µιας αποθήκης µε δύο τρόπους: (α) µέσω του αποθηκάριου, στον οποίο υποβάλλουµε οποιαδήποτε ερώτηση ή αίτηση για κίνηση (π.χ., εισαγωγή ή εξαγωγή υλικού). Αυτός, µε τη σειρά του, εκτε-

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

18

λεί τις απαραίτητες ενέργειες και κατόπιν µας ενηµερώνει για το αποτέλεσµα, ή (β) απευθείας, όπου εισάγουµε µόνοι µας τις ερωτήσεις ή εκτελούµε εµείς τις κινήσεις. Σε ποιον από τους δύο τρόπους θα υπάρχει: (α)

(β)

Ταχύτερη απόκριση;

………

………

Πληρέστερη ενηµέρωση;

………

………

Αυξηµένος φόρτος διαχείρισης;

………

………

Μεγαλύτερη ασφάλεια;

………

………

Αυξηµένη διαθεσιµότητα;

………

………

1.1.3 ∂Ê·ÚÌÔÁ¤˜ ÛÙ· ÌÂÏÏÔÓÙÈο ‰›ÎÙ˘· ∏/À

Ένας από τους λόγους επιτυχίας του ∆ιαδικτύου ήταν η συνύπαρξή του µε φτηνούς προσωπικούς υπολογιστές, ικανούς να εκτελέσουν αποδοτικά σύνθετες εφαρµογές που περιέχουν ήχο, γραφικά και κινούµενη εικόνα. Καθώς το ∆ιαδίκτυο είχε σχεδιαστεί αρχικά για τη µετάδοση δεδοµένων, αντιµετωπίζει δυσκολίες στο να µεταδώσει αποδοτικά και άλλες µορφές αναπαράστασης πληροφορίας, όπως είναι ο ήχος και η κινούµενη εικόνα, και στο να εγγυηθεί την ποιότητα µιας παρεχόµενης υπηρεσίας. Έτσι, το επόµενο βήµα που αναµένεται στο χώρο της τεχνολογίας των δικτύων Η/Υ είναι η εµφάνιση των δικτύων υψηλής απόδοσης ή υψηλών ταχυτήτων, τα οποία θα µπορούν να εγγυηθούν την παρεχόµενη ποιότητα εξυπηρέτησης. Οι δυνατές εφαρµογές αυτών των µελλοντικών δικτύων είναι πάρα πολλές και αναµένουµε να επηρεάσουν σηµαντικά αρκετούς τοµείς της ζωής µας. Μερικές τέτοιες εφαρµογές είναι: • τηλεδιάσκεψη: θα αποτελέσει µια εναλλακτική οικονοµική λύση για τα επαγγελµατικά ταξίδια. Όλοι οι χρήστες θα βρίσκονται και θα συνοµιλούν σε έναν «εικονικό» χώρο, θα µοιράζονται τις ηλεκτρονικές σηµειώσεις τους και θα γράφουν τις παρατηρήσεις τους σε έναν ηλεκτρονικό «πίνακα». • τηλε – ιατρική: η άµεση πρόσβαση σε ιατρικές πληροφορίες τεράστιου όγκου, η αναζήτηση παρόµοιων περιστατικών και η «ζωντανή» σύνδεση του ιατρικού και

1 . 2 ¢ π ∞ ™ À ¡ ¢ ∂ ™ π ª √ ∆ ∏ ∆∞

νοσηλευτικού προσωπικού µε κόµβους επιστηµονικής υποστήριξης είναι δυνατότητες που µπορούν να υποστηρίξουν αποδοτικά τα µελλοντικά δίκτυα και αναµένεται ότι θα βελτιώσουν το επίπεδο των προσφερόµενων ιατρικών υπηρεσιών. • τηλε – εκπαίδευση: µε τα µελλοντικά δίκτυα αναµένουµε ότι ο κάθε εκπαιδευόµενος θα µπορεί από το χώρο του να παρακολουθεί τη διδασκαλία ενός θέµατος όποτε θέλει, µε το ρυθµό που κρίνει αποδοτικό, επιλέγοντας ή επαναλαµβάνοντας τµήµατά της, και έχοντας ταυτόχρονα πρόσβαση σε µια τεράστια ποικιλία επικουρικού και συµπληρωµατικού υλικού, όπως, π.χ. ψηφιακές βιβλιοθήκες, ηλεκτρονικά εργαστήρια, εκπαιδευτικό λογισµικό κ.ά. • ηλεκτρονικό εµπόριο: όπως και σήµερα, έτσι και µε τα µελλοντικά δίκτυα, ο κάθε άνθρωπος θα µπορεί να κάνει µια έρευνα αγοράς για τα προϊόντα που τον ενδιαφέρουν πριν τα αγοράσει. Η µεγάλη διαφορά όµως είναι ότι θα κάνει την έρευνα αγοράς από το χώρο του, εύκολα και γρήγορα, και ψάχνοντας σε οποιοδήποτε ηλεκτρονικό κατάστηµα του πλανήτη διαθέτει τέτοια προϊόντα. Επιπλέον, από το χώρο του, θα µπορεί να πραγµατοποιήσει, µε ασφάλεια και µυστικότητα, και οποιαδήποτε εµπορική συναλλαγή επιθυµεί, όπως, π.χ. παραγγελίες, πληρωµές κ.ά. • διανοµή ψυχαγωγικών προγραµµάτων: η εκποµπή ραδιοφωνικών προγραµµάτων υψηλής πιστότητας και τηλεοπτικών προγραµµάτων υψηλής ευκρίνειας, η επιλογή προβολής ταινιών ή εκτέλεσης µουσικών έργων κατ’ απαίτηση και η «ζωντανή» σύνδεση µε οποιοδήποτε σηµείο του πλανήτη (ή και εκτός αυτού), στο οποίο εξελίσσεται ένα ενδιαφέρον φαινόµενο ή παρουσιάζεται µια ευχάριστη εκδήλωση, είναι από τις πρώτες υπηρεσίες που περιµένουµε να εµφανιστούν στα δίκτυα υψηλής απόδοσης. 1.2 ¢È·Û˘Ó‰ÂÛÈÌfiÙËÙ·

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτή την ενότητα, θα µπορείτε να: • αναφέρετε τους διαφορετικούς τύπους των απευθείας συνδέσεων., • εξηγήσετε την ανάγκη της έµµεσης διασύνδεσης, • διακρίνετε τους τύπους των δικτύων έµµεσης διασύνδεσης, • συγκρίνετε την τεχνική µεταγωγής κυκλώµατος µε τη µεταγωγή πακέτων, • περιγράψετε µια αποδοτική τεχνική µετάδοσης της πληροφορίας στο δίκτυο, • συγκρίνετε την τεχνική µεταγωγής πακέτων µε ιδεατά κυκλώµατα µε τη µεταγωγή µε αυτοδύναµα πακέτα. • χαρακτηρίσετε τα δίκτυα ως προς την έκταση την οποία καταλαµβάνουν.

19

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

20

Πριν προσπαθήσουµε να καταλάβουµε τον τρόπο µε τον οποίο σχεδιάζονται και λειτουργούν τα δίκτυα Η/Υ, θα αναλύσουµε τις γενικές απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιούν έτσι ώστε να υποστηρίζουν εφαρµογές όπως αυτές που παρουσιάσαµε στην προηγούµενη ενότητα. Αρχίζοντας από τα προφανή, το δίκτυο θα πρέπει να διασυνδέει ένα πλήθος υπολογιστών.

(α) ™¯‹Ì· 1.1

Σύνδεσµος (α) σηµείου µε σηµείο, (β) πολλαπλής πρόσβασης.

(β)

...

1.2.1 ™‡Ó‰ÂÛÌÔÈ Î·È ÎfiÌ‚ÔÈ

Στην απλούστερη µορφή σύνδεσης, οι υπολογιστές συνδέονται απευθείας µε ένα φυσικό µέσο, όπως, π.χ. καλώδιο χαλκού, οπτική ίνα ή ασύρµατη ζεύξη. Αυτό το φυσικό µέσο ονοµάζεται σύνδεσµος (link) και οι υπολογιστές του δικτύου ονοµάζονται κόµβοι (nodes). Οι σύνδεσµοι διακρίνονται σε σηµείου µε σηµείο (point – to – point), οι οποίοι συνδέουν δύο µόνο κόµβους, και σε πολλαπλής πρόσβασης (multiple – access), οι οποίοι συνδέουν δύο ή και περισσότερους κόµβους (βλέπε Σχήµα 1.1). 1.2.2 ¢›ÎÙ˘· ÌÂÙ·ÁˆÁ‹˜

Οι σύνδεσµοι πολλαπλής πρόσβασης έχουν συνήθως µικρό µήκος και εκτείνονται σε περιορισµένη περιοχή (µια εξαίρεση είναι οι δορυφορικοί σύνδεσµοι, που καλύπτουν ευρείες γεωγραφικές εκτάσεις). Κατά συνέπεια, για τη διασύνδεση αποµακρυσµένων περιοχών χρησιµοποιούνται σύνδεσµοι σηµείου µε σηµείο. Έστω ότι θέλουµε να διασυνδέσουµε 6 αποµακρυσµένους κόµβους. Αν είχαµε τον περιορισµό της χρησιµοποίησης µόνον απευθείας συνδέσεων µεταξύ των κόµβων, τότε θα σχεδιάζαµε το δίκτυο του Σχήµατος 1.2.α, µια ακριβή λύση µε αυξηµένο διαχειριστικό φόρτο. Έτσι, αναπτύχθηκε η επιλογή της έµµεσης διασύνδεσης, η οποία πραγµατοποιείται µε τη συνεργασία ενδιάµεσων κόµβων, που ονοµάζονται µεταγωγείς (switches). Οι µεταγωγείς είναι εξοπλισµένοι µε δύο ή περισσότερους συνδέσµους και µία κύρια λειτουργία τους είναι η προώθηση των δεδοµένων που λαµβάνουν από ένα σύνδε-

1 . 2 ¢ π ∞ ™ À ¡ ¢ ∂ ™ π ª √ ∆ ∏ ∆∞

21

™¯‹Ì· 1.2

(α) Tο δίκτυο διασύνδεσης 6 κόµβων χρησιµοποιώντας µόνο απευθείας συνδέσεις,

(α)

(β)

σµό τους σε έναν άλλο. Στο Σχήµα 1.2.β απεικονίζεται ένα δίκτυο µεταγωγής για τη διασύνδεση των 6 κόµβων. Οι δύο ενδιάµεσοι κόµβοι παίζουν το ρόλο του µεταγωγέα, ο δε σύνδεσµος που τους ενώνει χαρακτηρίζεται ως διαµοιραζόµενος σύνδεσµος (shared link), γιατί χρησιµοποιείται για τη µετάδοση πληροφορίας και µεταξύ κόµβων διαφορετικών από αυτούς που συνδέει άµεσα. Υπάρχουν διάφοροι τύποι δικτύων µεταγωγής, από τους οποίους οι πιο συνηθισµένοι είναι το δίκτυο µεταγωγής κυκλώµατος (circuit switched network) και το δίκτυο µεταγωγής πακέτων (packet switched network). Ο πρώτος τύπος δικτύων µεταγωγής χρησιµοποιείται αποκλειστικά στο τηλεφωνικό δίκτυο, ενώ ο δεύτερος έχει κυριαρχήσει στα δίκτυα Η/Υ. 1.2.3 ¢›ÎÙ˘· ÌÂÙ·ÁˆÁ‹˜ ΢ÎÏÒÌ·ÙÔ˜

Στα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος, η µετάδοση δεδοµένων είναι εφικτή µόνο µετά την εγκαθίδρυση µιας φυσικής ζεύξης – κυκλώµατος µεταξύ των δύο ενδιαφεροµένων κόµβων. Η µετάδοσή τους είναι διαφανής, µε την έννοια ότι τα δεδοµένα δεν υποβάλλονται σε καµία επεξεργασία κατά τη διέλευσή τους από το δίκτυο. Αυτό το κύκλωµα παραµένει ενεργό καθ’ όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας των κόµβων, ακόµα και όταν δεν ανταλλάσσουν δεδοµένα. Για παράδειγµα, έστω ότι το δίκτυο µεταγωγής του Σχήµατος 1.3 είναι ένα τηλεφωνικό δίκτυο και ότι ο χρήστης Α θέλει να συνοµιλήσει µε το χρήστη Π. Τότε, ο Α στέλνει αρχικά στο µεταγωγέα Μ3 µια αίτηση σύνδεσης µε τον Π. Βασιζόµενος σε κάποια κριτήρια, ο µεταγωγέας αποφασίζει να µεταδώσει την πληροφορία µέσω του συνδέσµου Μ3 – Μ4. Εάν υπάρχει διαθέσιµο κανάλι φωνής στο διαµοιραζόµενο σύνδεσµο Μ3 – Μ4, τότε δεσµεύεται αυτό το κανάλι και η αίτηση προωθείται στον Μ4. Η ίδια διαδικασία επαναλαµβάνεται και στον Μ4 και, εάν η αίτηση φτάσει στον Μ5, τότε αυτός µε τη σειρά του ελέγχει εάν ο κόµβος Π είναι διαθέσιµος. Εάν είναι, τότε εγκαθιδρύει το κύκλωµα Α – Μ3 – Μ4 – Μ5 – Π και επιτρέπει την επικοινω-

(β) ένα δίκτυο µεταγωγής για τη διασύνδεση 6 κόµβων.

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

22

νία τους. Εάν δεν είναι, τότε απορρίπτει την αίτηση επικοινωνίας και αποδεσµεύει τα κανάλια φωνής που είχαν δεσµευτεί στους συνδέσµους Μ3 – Μ4 και Μ4 – Μ5. Τα κανάλια φωνής παραµένουν δεσµευµένα καθ’ όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας και αποδεσµεύονται µε το πέρας αυτής. ™¯‹Ì· 1.3

Ένα δίκτυο µεταγωγής κυκλώµατος Η µετάδοση δεδοµένων µεταξύ Α και Π είναι εφικτή µόνο µετά την εγκαθίδρυση ενός ανάλογου κυκλώµατος (π.χ. του Α – Μ3 – Μ4 – Μ5 – Π). A Το κύκλωµα παραµένει ενεργό καθ’ όλη τη διάρκεια της επικοινωνίας των κόµβων και αποδεσµεύεται µε το πέρας αυτής.

M1

M2

M5

M3

Π

M4

1.2.4 ¢›ÎÙ˘· ÌÂÙ·ÁˆÁ‹˜ ·Î¤ÙˆÓ – ªÂÙ¿‰ÔÛË Ì ·Ôı‹Î¢ÛË Î·È ÚÔÒıËÛË

Στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων τα δεδοµένα κατακερµατίζονται σε µικρότερα τµήµατα πριν από τη µετάδοσή τους. Αυτά τα τµήµατα δεδοµένων τα ονοµάζουµε πακέτα (packets). Στον κόµβο προορισµού, τα αρχικά δεδοµένα επανασυνθέτονται από τα ληφθέντα πακέτα. Η µέθοδος που ακολουθείται για τη µετάδοση των πακέτων είναι γνωστή ως αποθήκευση και προώθηση (store – and – forward). Σύµφωνα µε αυτή τη µέθοδο, όταν ένας κόµβος λαµβάνει δεδοµένα από κάποιον σύνδεσµο, τα αποθηκεύει στην προσωρινή του µνήµη, µέχρις ότου αυτά σχηµατίσουν ένα πλήρες πακέτο, και στη συνέχεια προωθεί αυτό το πακέτο προς τον σύνδεσµο εξόδου. Yιοθετώντας αυτή την τεχνική µετάδοσης, τα πακέτα µπορούν να στέλνονται συνεχόµενα στο δίκτυο και είναι συνήθως εξαιρετικά αποδοτική. ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 1.1 Ας θεωρήσουµε το δίκτυο µεταγωγής του Σχήµατος 1.4, και έστω ότι θέλουµε να µεταδώσουµε ένα αρχείο δεδοµένων από τον κόµβο Α στον κόµβο Γ. Αν οι χρόνοι µετάδοσης του αρχείου από τον Α στο Β και από το Β στο Γ είναι ίδιοι και ίσοι µε 60 sec, τότε ο συνολικός χρόνος µετάδοσης θα είναι ίσος µε 120 sec. Αν κατακερµατίσουµε το αρχείο σε 60 ισοµεγέθη πακέτα, τότε ο χρόνος µετάδοσης ενός πακέτου από τον Α στο Β ή από το Β στο Γ θα είναι ίσος µε 1 sec. Στο 1ο sec το πρώτο πακέτο του αρχείου θα σταλεί από τον Α στο Β. Στο 2ο sec το δεύτερο πακέτο θα σταλεί από τον Α στο Β, ενώ ταυτόχρονα το πρώτο πακέτο θα σταλεί από

1 . 2 ¢ π ∞ ™ À ¡ ¢ ∂ ™ π ª √ ∆ ∏ ∆∞

23

το Β στο Γ. Έτσι, ο συνολικός χρόνος µετάδοσης του αρχείου θα είναι ίσος µε 61 sec. Η εξοικονόµηση χρόνου µετάδοσης θα είναι µεγαλύτερη όσο περισσότεροι είναι οι ενδιάµεσοι κόµβοι.

A

B

Γ ™¯‹Ì· 1.4

0

1

1

2

1

2

3

2

… 60

…

1 …

60

61

Ένα παράδειγµα της µετάδοσης µε αποθήκευση και προώθηση …

59 60

Xρόνος‚ (σε sec)

Τα πακέτα στέλνονται συνεχόµενα στο δίκτυο και έτσι µειώνουµε τον απαιτούµενο χρόνο µετάδοσης της πληροφορίας

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 1.2 Έστω ότι θέλουµε να µεταφέρουµε ένα αρχείο µεγέθους S bits µέσα από ένα δίκτυο µεταγωγής πακέτων N συνδέσµων. Εάν ο κάθε σύνδεσµος µπορεί να µεταδίδει R bits σε κάθε sec (δηλαδή έχει ρυθµό µετάδοσης R bits/sec) και το µέγεθος πακέτου είναι P bits, τότε υπολογίστε το συνολικό χρόνο µεταφοράς T του αρχείου. Επίσης, πόσο θα πρέπει να µειώσουµε το µέγεθος του πακέτου έτσι ώστε να µεταφέρουµε το αρχείο στο µισό χρόνο; 1.2.5 ¢È¢ı˘ÓÛÈÔ‰fiÙËÛË Î·È ¢ÚÔÌÔÏfiÁËÛË

Η ύπαρξη άµεσου ή έµµεσου τρόπου σύνδεσης µεταξύ των υπολογιστών ενός δικτύου δεν επαρκεί για την επίτευξη της διασυνδεσιµότητάς τους. Μια επιπλέον απαίτηση είναι η εκχώρηση µιας µοναδικής διεύθυνσης σε κάθε κόµβο του δικτύου, ικανής να τον διαφοροποιεί από τους υπόλοιπους κόµβους του δικτύου. Όταν ένας χρήστης του δικτύου θέλει να µεταβιβάσει κάποια πληροφορία σε ένα

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

24

™¯‹Ì· 1.5

Ένα δίκτυο µεταγωγής πακέτων µε ιδεατά κυκλώµατα

M1

Σε κάθε µεταγωγέα του δικτύου τα πακέτα µιας ροής δεδοµένων δροµολογούνται πάντα από τον ίδιο σύνδεσµο. Έτσι, µπορούµε να σκιαγραφήσουM3 κ α λ ό µε στο δίκτυο ένα ιδεατό κύκλωµα που A κ α λ ό αφιερώνεται για την εξυπηρέτηση του συγκεκριµένου ζευγαριού (αποστολέα – παραλήπτη).

M2

M5 M4

κ α λ ό

Π

κ α λ ό

συγκεκριµένο προορισµό στο δίκτυο, τότε πρέπει να προσδιορίσει τη διεύθυνση του αντίστοιχου κόµβου. Η διεύθυνση προορισµού καταγράφεται σε καθένα από τα µεταδιδόµενα πακέτα. Εάν ο αποστολέας και ο παραλήπτης δεν είναι άµεσα συνδεδεµένοι µεταξύ τους, τότε οι ενδιάµεσοι µεταγωγείς του δικτύου χρησιµοποιούν τη διεύθυνση του κόµβου προορισµού για να αποφασίσουν από ποιο σύνδεσµό τους θα προωθήσουν τα µεταδιδόµενα πακέτα. Αυτή η διαδικασία επιλογής του συνδέσµου επαναπροώθησης των πακέτων στους µεταγωγείς ονοµάζεται δροµολόγηση (routing). 1.2.6 ¢›ÎÙ˘· ÌÂÙ·ÁˆÁ‹˜ ·Î¤ÙˆÓ Ì ȉ·ٿ ΢ÎÏÒÌ·Ù·

Εάν οι µεταγωγείς του δικτύου δροµολογούν τα πακέτα µιας ροής δεδοµένων από τον ίδιο πάντα σύνδεσµο εξόδου, τότε το δίκτυο θα ονοµάζεται δίκτυο µεταγωγής πακέτων µε ιδεατά κυκλώµατα (virtual circuit packet switched network). Ως ροή δεδοµένων (data flow) ορίζουµε την ακολουθία πακέτων µε τον ίδιο αποστολέα και τον ίδιο παραλήπτη, όπως, για παράδειγµα, αυτή που δηµιουργείται κατά τη µεταφορά ενός αρχείου µεταξύ δύο υπολογιστών. Σε αυτήν την περίπτωση, θα µπορούµε να σκιαγραφήσουµε στο δίκτυο ένα ιδεατό κύκλωµα (virtual circuit). Η διαδικασία εγκαθίδρυσης του ιδεατού κυκλώµατος προηγείται της µεταφοράς των δεδοµένων και είναι αντίστοιχη µε αυτή στα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος. Στο Σχήµα 1.5 απεικονίζεται η αρχή λειτουργίας των δικτύων µεταγωγής πακέτων µε ιδεατά κυκλώµατα. Το ιδεατό κύκλωµα που εγκαθιδρύθηκε για την επικοινωνία των κόµβων Α και Π είναι το Α – Μ3 – Μ4 – Μ5 – Π. 1.2.7 ¢›ÎÙ˘· ÌÂÙ·ÁˆÁ‹˜ Ì ·˘ÙÔ‰‡Ó·Ì· ·Î¤Ù·

Εάν οι µεταγωγείς του δικτύου επιλέγουν το σύνδεσµο επαναπροώθησης σε κάθε πακέτο της ροής δεδοµένων ξεχωριστά, τότε το δίκτυο θα ονοµάζεται δίκτυο µεταγωγής µε αυτοδύναµα πακέτα (datagram packet switched network). Έτσι, τα πακέτα µιας ροής δεδοµένων µπορεί να ακολουθήσουν διαφορετικές διαδροµές κατά τη διέ-

1 . 2 ¢ π ∞ ™ À ¡ ¢ ∂ ™ π ª √ ∆ ∏ ∆∞

25

λευσή τους από το δίκτυο. Στο Σχήµα 1.6 απεικονίζεται η αρχή λειτουργίας των δικτύων µεταγωγής µε αυτοδύναµα πακέτα. ™¯‹Ì· 1.6 M1

Ένα δίκτυο µεταγωγής µε αυτοδύναµα πακέτα κ α

M2

κ α M3

A

κ α λ ό

ό κ α ό

λ ό

M5

λ M4

Σε κάθε µεταγωγέα του δικτύου τα πακέτα µιας ροής δεδοµένων δροµολογούνται Π ανεξάρτητα το ένα από το άλλο. Έτσι, ό κ α λ µπορούν να ακολουθήσουν διαφορετικές διαδροµές κατά τη διέλευσή τους από το δίκτυο.

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 1.3 Εάν είχατε να επιλέξετε µεταξύ των δύο τύπων µεταγωγής πακέτων, θα επιλέγατε τη µεταγωγή µε αυτοδύναµα πακέτα γιατί: (α)τα πακέτα φτάνουν στον προορισµό τους µε τη σειρά που έχουν σταλεί (β) παρουσιάζει υψηλότερη ανοχή στα προβλήµατα δυσλειτουργίας του δικτύου (γ) εµφανίζει µικρότερη διακύµανση στο χρόνο µεταφοράς των πακέτων (δ) δεν επιβαρύνει τους µεταγωγείς του δικτύου µε λειτουργίες εγκαθίδρυσης κυκλώµατος ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 1.4 Έστω ότι θέλετε να µεταδώσετε K = 91 πακέτα µέσα από ένα ιδεατό κύκλωµα N = 10 συνδέσµων. Οι ρυθµοί µεταγωγής των συνδέσµων είναι ίδιοι και ίσοι µε R = 10 Kbps. Για τη δροµολόγησή του, κάθε πακέτο επιβαρύνεται µε 5 bits επιπλέον, στα οποία καταχωρίζεται η διεύθυνση του παραλήπτη. Ο χρόνος εγκαθίδρυσης του ιδεατού κυκλώµατος είναι σταθερός και ίσος µε 100 ms. Επίσης, ας θεωρήσουµε ότι, εάν στέλναµε τα πακέτα ως αυτοδύναµα µέσα στο δίκτυο, τότε θα ακολουθούσαν όλα τη διαδροµή που επιλέχθηκε για το παραπάνω ιδεατό κύκλωµα (ξέρω ότι είναι καταπληκτικές συµπτώσεις όλα αυτά, αλλά τις δεχόµαστε γιατί εξυπηρετούν την εκπαιδευτική διαδικασία). Επειδή για την εξυπηρέτηση των αυτοδύναµων πακέτων είναι απαραίτητη και η διεύθυνση του αποστολέα, η επιβάρυνση του πακέτου θα είναι τώρα 2 ¥ 5 = 10 bits. Με ποιον τρόπο µεταγωγής θα έχουµε το µικρότερο χρόνο µετάδοσης των πακέτων;

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

26

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 1.1 Συγκρίνετε την τεχνική µεταγωγής κυκλώµατος µε την τεχνική µεταγωγής πακέτων. Ποια είναι τα συγκριτικά πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατά της;

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 1.2 Συγκρίνετε την τεχνική µεταγωγής πακέτων µε ιδεατά κυκλώµατα µε την τεχνική µεταγωγής µε αυτοδύναµα πακέτα. Ποια είναι τα συγκριτικά πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατά της;

1.2.8 ÷ڷÎÙËÚÈÛÌfi˜ ÙˆÓ ‰ÈÎÙ‡ˆÓ ˆ˜ ÚÔ˜ ÙËÓ ¤ÎÙ·Û‹ ÙÔ˘˜

Ένας τρόπος χαρακτηρισµού των δικτύων Η/Υ είναι ως προς την έκταση την οποία καταλαµβάνουν. Όταν οι διασυνδεδεµένοι υπολογιστές εκτείνονται στα όρια ενός κτιρίου ή γειτονικών κτιρίων, τότε αποτελούν ένα Τοπικό ∆ίκτυο (Local Area Network – LAN). Τα µεγαλύτερα δίκτυα που δεν ξεπερνούν τα όρια µιας µικρής πόλης ονοµάζονται Mητροπολιτικά ∆ίκτυα (Μetropolitan Area Networks – MAN). Τέλος, τα δίκτυα που εκτείνονται σε µια ευρεία γεωγραφική περιοχή (όπως, π.χ. τα υπεραστικά ή τα διεθνή) ονοµάζονται ∆ίκτυα Ευρείας Περιοχής (Wide Area Networks – WANs). Σε αυτή την κατηγοριοποίηση ο κάθε τύπος δικτύου απαιτεί διαφορετικές αρχές σχεδιασµού και τεχνολογίες υλοποίησης από τους υπόλοιπους τύπους δικτύων. 1.3 ¢È·ÌÔÈÚ·ÛÌfi˜ fiÚˆÓ

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτή την ενότητα, θα µπορείτε να: • περιγράψετε πώς µπορούµε να διαµοιράσουµε ένα σύνδεσµο, • εξηγήσετε τις βασικές αρχές των διαφόρων τεχνικών διαµοιρασµού συνδέσµου, • προσδιορίσετε την αποδοτικότερη τεχνική διαµοιρασµού πόρων για τα δίκτυα µεταγωγής πακέτων. Όπως είδαµε στην προηγούµενη ενότητα, κλειδί στην ανάπτυξη και επέκταση των δικτύων αποτελεί η δυνατότητα έµµεσης διασύνδεσης, δηλαδή η δυνατότητα δια-

1 . 3 ¢ π ∞ ª √ π ƒ∞ ™ ª √ ™ ¶ √ ƒ ø ¡

27

µοιρασµού των ενδιάµεσων συνδέσµων τους. Πώς όµως µπορούµε να επιτύχουµε την ταυτόχρονη χρήση ενός συνδέσµου από δύο ή περισσότερα ζεύγη κόµβων; Ας θεωρήσουµε το δίκτυο µεταγωγής του Σχήµατος 1.7, και έστω ότι οι κόµβοι Α1 και Α2 θέλουν να µεταδώσουν πληροφορία στους κόµβους Π1 και Π2, αντίστοιχα. Σε αυτή την περίπτωση ο σύνδεσµος Μ1 – Μ2 πρέπει να µεταδίδει τα δεδοµένα και από τα δύο ζεύγη κόµβων. Τα προς µετάδοση δεδοµένα θα πρέπει να πολυπλέκονται σε µια ενιαία ροή δεδοµένων πριν από την είσοδό τους στο διαµοιραζόµενο σύνδεσµο και να αποπλέκονται κατά την έξοδό τους από αυτόν. Οι συσκευές που εκτελούν τις αντίστοιχες λειτουργίες ονοµάζονται πολυπλέκτης (multiplexer) και αποπλέκτης (demultiplexer) και τοποθετούνται στην είσοδο και έξοδο του διαµοιραζόµενου συνδέσµου, αντίστοιχα. Π1

A1 M1 A2

M2

™¯‹Ì· 1.7

Ένα παράδειγµα δικτύου µε διαµοιραζόµενο σύνδεσµο

Οι ροές δεδοµένων Α1 – Π1 και Α2 – Π2 πολυπλέκονται σε µια ενιαία ροή δεδοµένων πριν από την είσοδό τους στο διαµοιραζόµενο σύνδεσµο Μ1 – Μ2 και αποπλέκονται κατά την Π2 έξοδό τους από αυτόν.

1.3.1 ¶ÔχÏÂÍË ¯ÚfiÓÔ˘ Î·È ÔχÏÂÍË Û˘¯ÓÔًوÓ

Μια µέθοδος διαµοιρασµού των ενδιάµεσων συνδέσµων είναι η πολύπλεξη χρόνου (Time – Division Multiplexing – TDM). Σε αυτήν τη µέθοδο ο χρόνος µοιράζεται σε πολύ µικρά στοιχειώδη τµήµατα (χρονοθυρίδες) και η εξυπηρέτηση των κόµβων γίνεται κυκλικά, δεσµεύοντας εκ των προτέρων ένα ή περισσότερα στοιχειώδη τµήµατα χρόνου για κάθε κόµβο ανά κύκλο εξυπηρέτησης. Έτσι, εάν στο παράδειγµά µας το εύρος της χρονοθυρίδας είναι ίσο µε το χρόνο µετάδοσης ενός bit και ο χρόνος εξυπηρέτησης µοιράζεται ισοµερώς στους δύο κόµβους, τότε κατά την πρώτη χρονική στιγµή µεταδίδεται το 1ο bit από τον κόµβο Α1, τη δεύτερη χρονική στιγµή το 1ο bit από τον κόµβο Α2, την τρίτη χρονική στιγµή το 2ο bit από τον Α1 κ.ο.κ. ∆ηλαδή τις µονές χρονικές στιγµές θα µεταδίδονται δεδοµένα από τον κόµβο Α1, ενώ τις ζυγές στιγµές από τον Α2. Η πολύπλεξη χρόνου χρησιµοποιείται συχνά στα τηλεφωνικά δίκτυα. Μια άλλη µέθοδος είναι η πολύπλεξη συχνοτήτων (Frequency – Division Multiplexing – FDM), κατά την οποία τα δεδοµένα από ένα συγκεκριµένο κόµβο µεταδίδονται σε διαφορετικό φάσµα συχνοτήτων από ό,τι τα δεδοµένα των άλλων κόµβων. Αν στο παράδειγµά µας ο διαµοιραζόµενος σύνδεσµος µπορεί να µεταδώ-

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

28

σει δεδοµένα στις συχνότητες από 1000 Hz έως 3000 Hz, τότε µπορεί να οριστεί να µεταδίδει τα δεδοµένα του κόµβου Α1 στο φάσµα συχνοτήτων 1000 – 2000 Hz και τα δεδοµένα του Α2 στο φάσµα 2000 – 3000 Hz. Η πολύπλεξη συχνοτήτων χρησιµοποιείται ευρέως στα δίκτυα τηλεόρασης και ραδιοφώνου. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 1.5 Η πολύπλεξη χρόνου είναι πολύ απλή, τόσο στη σύλληψη όσο και στην υλοποίηση, και είχε χρησιµοποιηθεί στο παρελθόν σε ευρεία κλίµακα για τη διασύνδεση τερµατικών σταθµών µε αποµακρυσµένα συστήµατα Η/Υ. Βασιζόµενοι στην αρχή λειτουργίας της, απαντήστε εάν είναι σωστό ή λάθος ότι µε την πολύπλεξη χρόνου: Σωστό

Λάθος

Πρέπει να γνωρίζουµε εκ των προτέρων το πλήθος των κόµβων που θα εξυπηρετούµε στο διαµοιραζόµενο σύνδεσµο.

❑

❑

Ο διαµοιραζόµενος σύνδεσµος µπορεί να παραµένει αχρησιµοποίητος, παρ’ όλο που υπάρχουν δεδοµένα προς µετάδοση.

❑

❑

Η εξυπηρέτηση ενός κόµβου είναι ανεξάρτητη από το φόρτο και τη λειτουργία των άλλων εξυπηρετούµενων κόµβων.

❑

❑

1.3.2 ™Ù·ÙÈÛÙÈ΋ ÔχÏÂÍË

Στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων ο διαµοιρασµός των συνδέσµων συνήθως υλοποιείται µε τη στατιστική πολύπλεξη (statistical multiplexing). Στο Σχήµα 1.8 απεικονίζεται η αρχή λειτουργίας της στατιστικής πολύπλεξης. Κάθε κόµβος αποστέλλει τα δεδοµένα προς µετάδοση στο µεταγωγέα µε τη µορφή πακέτων. Αυτά αποθηκεύονται σε έναν προσωρινό ενταµιευτή (buffer), από όπου και λαµβάνονται για µετάδοση στο διαµοιραζόµενο σύνδεσµο. Η σειρά εξυπηρέτησης πακέτων από τον ενταµιευτή µπορεί να είναι ίδια µε τη σειρά µε την οποία έφτασαν σε αυτόν. Αυτός ο τρόπος εξυπηρέτησης είναι γνωστός ως FCFS (First Come First Served) και είναι πολύ συνηθισµένος στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων. Το µεγάλο πλεονέκτηµα της στατιστικής πολύπλεξης είναι η αποδοτική χρησιµοποίηση του διαµοιραζόµενου συνδέσµου, καθώς ο κάθε κόµβος δεσµεύει χρόνο εξυπηρέτησης µόνο όταν έχει δεδοµένα προς µετάδοση (σε αντίθεση µε την πολύπλεξη χρόνου, όπου ο χρόνος εξυπηρέτησης κατανέµεται στατικά στους κόµβους). Επίσης, ένα άλλο πλεονέκτηµά της είναι η δυνατότητα εξυπηρέτησης των κόµβων και στην ειδική περί-

1 . 3 ¢ π ∞ ª √ π ƒ∞ ™ ª √ ™ ¶ √ ƒ ø ¡

29

πτωση όπου το άθροισµα των ρυθµών άφιξης δεδοµένων από τους κόµβους υπερβεί στιγµιαία το ρυθµό µετάδοσης δεδοµένων του διαµοιραζόµενου συνδέσµου. Αυτό συµβαίνει γιατί ο ενταµιευτής του µεταγωγέα µπορεί να απορροφήσει προσωρινά τον υπερβάλλοντα όγκο δεδοµένων, αρκεί να διαθέτει τον απαιτούµενο χώρο. Εάν ο ενταµιευτής γεµίσει, τότε τα εισερχόµενα πακέτα θα απορρίπτονται. ™¯‹Ì· 1.8

Η αρχή λειτουργίας της στατιστικής πολύπλεξης πακέτων Τα µεταβιβαζόµενα πακέτα αποθηκεύονται σε έναν προσωρινό ενταµιευτή, από όπου και εξυπηρετούνται από το διαµοιραζόµενο σύνδεσµο. Έτσι, ο κάθε κόµβος δεσµεύει χρόνο εξυπηρέτησης µόνο όταν έχει δεδοµένα προς µετάδοση.

Ο στατιστικός πολυπλέκτης και ο αποπλέκτης είναι πιο πολύπλοκες συσκευές από τις αντίστοιχες συσκευές πολύπλεξης χρόνου, γιατί απαιτούν επεξεργασία καθενός πακέτου ξεχωριστά για να προσδιορίσουν τη ροή δεδοµένων στην οποία ανήκει. Υπενθυµίζεται ότι µε τον όρο ροή δεδοµένων εννοούµε εκείνη την ακολουθία πακέτων τα οποία έχουν κοινό αποστολέα και κοινό παραλήπτη. Επίσης, η προσωρινή ενταµίευση στην είσοδο του µεταγωγέα εισάγει µία µεταβλητή καθυστέρηση στη µετάδοση της κάθε ροής δεδοµένων, η τιµή της οποίας εξαρτάται από τις υπόλοιπες ροές δεδοµένων και, σε γενικές γραµµές, δεν είναι εύκολο να υπολογιστεί. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 1.6 Απαντήστε στα ερωτήµατα της Άσκησης αυτοαξιολόγησης 1.5 για την περίπτωση της στατιστικής πολύπλεξης.

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 1.3 Εξηγήστε γιατί η στατιστική πολύπλεξη είναι αποδοτικότερη τεχνική διαµοιρασµού πόρων στα δίκτυα Η/Υ από τις τεχνικές TDM και FDM.

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

30

1.4 ∞ÍÈÔÈÛÙ›· ÌÂÙ·ÊÔÚ¿˜

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτή την ενότητα, θα µπορείτε να: • παρουσιάσετε τρεις τουλάχιστον αιτίες σφαλµάτων µεταφοράς, • περιγράψετε µε αδρές γραµµές τρεις τεχνικές αντιµετώπισης των σφαλµάτων µεταφοράς, • ορίσετε ένα δείκτη µέτρησης της αξιοπισxτίας µεταφοράς δεδοµένων. Είναι προφανές ότι ένα δίκτυο θα θέλουµε να µεταφέρει χωρίς σφάλµατα την πληροφορία από άκρο σε άκρο. Και επειδή, όπως συνήθως συµβαίνει, τα σφάλµατα είναι αναπόφευκτα, το δίκτυο θα πρέπει να είναι εξοπλισµένο µε µηχανισµούς εντοπισµού και αντιµετώπισης σφαλµάτων µεταφοράς. 1.4.1 ∞Èٛ˜ ÙˆÓ ÛÊ·ÏÌ¿ÙˆÓ ÌÂÙ·ÊÔÚ¿˜

Τα σφάλµατα µεταφοράς µπορούν να πηγάζουν από διάφορες αιτίες. Συχνά είναι τα σφάλµατα κατά τη διάδοση των δεδοµένων πάνω από το φυσικό µέσο µεταφοράς (π.χ., καλώδιο χαλκού, οπτική ίνα ή ασύρµατη ζεύξη). Σε αυτή την περίπτωση αντιστρέφεται η τιµή σε ένα bit ή σε µία οµάδα από συνεχόµενα bits (από 0 γίνεται 1, και το αντίστροφο). Αιτίες εµφάνισης τέτοιων σφαλµάτων είναι, π.χ. η ηλεκτροµαγνητική παρεµβολή, ο εξωτερικός θόρυβος και ο θόρυβος από τα κυκλώµατα ποµπού και δέκτη. Μια άλλη συχνή αιτία εµφάνισης σφαλµάτων µεταφοράς είναι η απόρριψη πακέτων στους µεταγωγείς. Κατά την εφαρµογή της στατιστικής πολύπλεξης, τα πακέτα αποθηκεύονται προσωρινά στους ενταµιευτές των µεταγωγέων. Επειδή αυτοί οι ενταµιευτές είναι πεπερασµένου µεγέθους, ένα πακέτο είναι πιθανό να συναντήσει τον ενταµιευτή γεµάτο κατά την άφιξή του στο µεταγωγέα. Σε αυτή την περίπτωση το πακέτο απορρίπτεται από το µεταγωγέα. Οι βλάβες ή οι δυσλειτουργίες του τηλεπικοινωνιακού εξοπλισµού και η εσφαλµένη διαµόρφωση και παραµετροποίηση του δικτυακού λογισµικού είναι επίσης πιθανές αιτίες εµφάνισης σφαλµάτων µεταφοράς (π.χ., µια λανθασµένη ενηµέρωση των πινάκων δροµολόγησης ενός µεταγωγέα µπορεί να ανακατευθύνει όλα τα πακέτα µιας ροής δεδοµένων προς ένα ανύπαρκτο προορισµό). Σε αυτή την περίπτωση, ο παραλήπτης κόµβος µπορεί να µη λάβει δεδοµένα που του είχαν αποσταλεί ή µπορεί και να λάβει δεδοµένα που δεν προορίζονταν γι’ αυτόν.

1 . 4 ∞ • π √ ¶ π ™ ∆ π ∞ ª ∂ ∆∞ º √ ƒ∞ ™

31

¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 1.2 Έστω ότι θέλουµε να µεταφέρουµε ένα αρχείο µέσω δικτύου. Εάν το αρχείο κατακερµατίζεται σε πακέτα πλήθους N και η πιθανότητα εµφάνισης σφάλµατος κατά τη µεταφορά ενός πακέτου είναι p, τότε µπορούµε να υπολογίσουµε την πιθανότητα αλάνθαστης µεταφοράς του αρχείου, υποθέτοντας ότι τα σφάλµατα µεταφοράς πακέτου είναι ανεξάρτητα γεγονότα. Από τις πιθανότητες γνωρίζουµε ότι, εάν x και y είναι ανεξάρτητα γεγονότα, τότε η πιθανότητα εµφάνισης του γεγονότος x ◊ y δίνεται από τη σχέση P [x ◊ y] = P [x] ◊ P [y] όπου P[x], P[y] είναι οι πιθανότητες εµφάνισης των γεγονότων x και y, αντίστοιχα. Επίσης, η πιθανότητα να µεταφερθεί ένα πακέτο από το δίκτυο χωρίς σφάλµα ισούται µε q = 1 – p. Από τα παραπάνω συµπεραίνουµε ότι η πιθανότητα αλάνθαστης µεταφοράς του αρχείου θα δίνεται από τη σχέση Q = qN = (1 – p)N. 1.4.2 ªË¯·ÓÈÛÌÔ› ÂÓÙÔÈÛÌÔ‡ Î·È ·ÓÙÈÌÂÙÒÈÛ˘ ÛÊ·ÏÌ¿ÙˆÓ ÌÂÙ·ÊÔÚ¿˜

Το δίκτυο θα πρέπει να είναι σε θέση να αναγνωρίζει τα εσφαλµένα πακέτα πριν τα παραδώσει στον προορισµό τους. Για το λόγο αυτό, το δίκτυο προσθέτει σε κάθε πακέτο µία επιπρόσθετη πληροφορία πριν από τη µεταφορά του. Ανάλογα µε το χρησιµοποιούµενο µηχανισµό εντοπισµού και την έκταση της επιπλέον πληροφορίας, το δίκτυο θα είναι σε θέση να εντοπίσει αλλοιώσεις σε ένα, δύο ή και περισσότερα bits ταυτόχρονα. Αυτή η επιπρόσθετη πληροφορία µπορεί να χρησιµοποιηθεί και για τη διόρθωση των εσφαλµένων bits. Εάν ένα bit αναγνωριστεί ως λανθασµένο, τότε η διόρθωσή του απαιτεί απλώς την αντιστροφή του 0 σε 1 ή του 1 σε 0. Μια άλλη τεχνική αντιµετώπισης των σφαλµάτων µεταφοράς είναι η επανεκποµπή των εσφαλµένων ή απωλεσθέντων πακέτων, στην οποία ο παραλήπτης ζητάει την επαναµετάδοση του συγκεκριµένου πακέτου από τον αποστολέα. Τέλος, θα θέλαµε να παρατηρήσουµε ότι αρκετές σύγχρονες εφαρµογές παρουσιάζουν µια µικρή ανοχή στην εµφάνιση σφαλµάτων. Για παράδειγµα, κατά τη µετάδοση κινούµενης εικόνας ένα πακέτο αντιστοιχεί σε ένα πολύ µικρό τµήµα της εικόνας, π.χ., 8 ¥ 8 κουκκίδες. Στην περίπτωση απώλειας πακέτου, ενεργοποιούνται διά-

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

32

φορες τεχνικές επαναδηµιουργίας του τµήµατος εικόνας από τα γειτονικά του αντίστοιχα τµήµατα. Έτσι, η απώλεια ενός πακέτου γίνεται αντιληπτή στον τελικό χρήστη µε µια µικρή ποιοτική υποβάθµιση της λαµβανόµενης εικόνας, η οποία είναι συνήθως µέσα στα αποδεκτά όρια. ¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 1.4 Έστω ότι χρησιµοποιούµε ένα δίκτυο µεταγωγής πακέτων για µεταφορά φωνής. Κατά τη συνοµιλία δύο προσώπων, µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε την τεχνική επανεκποµπής πακέτων για την αντιµετώπιση των λανθασµένων πακέτων της; Υπόδειξη: Αιτιολογήστε την απάντησή σας ως συνάρτηση της καθυστέρησης µεταφοράς του δικτύου.

1.4.3 ¢Â›ÎÙ˘ ·ÍÈfiÈÛÙ˘ ÌÂÙ·ÊÔÚ¿˜

Γενικότερα για τις συσκευές, ως δείκτης αξιοπιστίας χρησιµοποιείται ο Μέσος Χρόνος Μεταξύ Βλαβών, ο οποίος προσδιορίζει τη µέση χρονική απόσταση µεταξύ δύο διαδοχικών βλαβών. Αυτός ο δείκτης µπορεί, φυσικά, να χρησιµοποιηθεί και σε όλες τις συσκευές δικτύου. Ειδικότερα όµως για τα δίκτυα Η/Υ, µπορούµε να ορίσουµε ένα δείκτη αξιοπιστίας µε την ακόλουθη σχέση: ∆είκτης αξιόπιστης µεταφοράς = 1 -

εσφαλµένα δεδοµένα σύνολο ληφθέντων δεδοµένων

Ως εσφαλµένα θεωρούµε εκείνα τα δεδοµένα µε σφάλµατα µεταφοράς για τα οποία: • είτε δεν εντοπίστηκαν τα σφάλµατά τους, • είτε εντοπίστηκαν, αλλά δεν µπόρεσαν να διορθωθούν από τους µηχανισµούς αντιµετώπισης σφαλµάτων του δικτύου. Επίσης, ως εσφαλµένα θεωρούνται και εκείνα τα πακέτα που ελήφθησαν περισσότερες από µία φορές (π.χ., γιατί ζητήθηκε εσφαλµένα η επανεκποµπή τους). Όσο πιο κοντά στη µονάδα είναι αυτός ο δείκτης, τόσο πιο αξιόπιστο είναι το δίκτυο για τη µεταφορά δεδοµένων.

1.5 ∞¶√¢√™∏ ¢π∫∆À√À

1.5 ∞fi‰ÔÛË ‰ÈÎÙ‡Ô˘

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτή την ενότητα, θα µπορείτε να: • προσδιορίσετε δύο δείκτες µέτρησης της απόδοσης δικτύου, • αναφέρετε τρεις παράγοντες που επιδρούν στην εισαγωγή καθυστέρησης κατά τη µεταφορά πληροφορίας µέσω του δικτύου, • εξηγήσετε γιατί η εισαγωγή διαφόρων απαιτήσεων ποιότητας εξυπηρέτησης από το χρήστη δυσκολεύει το χαρακτηρισµό της απόδοσης δικτύου, • δώσετε ένα παράδειγµα στο οποίο να παρουσιάζεται εµφανώς η δυσκολία χαρακτηρισµού της απόδοσης των σύγχρονων και µελλοντικών δικτύων. Όπως όλα σχεδόν τα συστήµατα, έτσι και τα δίκτυα Η/Υ πρέπει να σχεδιάζονται υπό τον περιορισµό (ή την επιθυµία) της µεγαλύτερης δυνατής απόδοσης. Πώς όµως µετράµε την απόδοση του δικτύου; Συγκεκριµένα, ποια είναι η απόδοση του δικτύου κατά τη µεταφορά µια ροής δεδοµένων από ένα άκρο του σε ένα άλλο άκρο του; ∆ύο µετρήσιµοι όροι που χρησιµοποιήθηκαν ευρέως κατά το παρελθόν για το χαρακτηρισµό της απόδοσης δικτύου είναι η διαµετακοµιστική ικανότητα (throughput) και η καθυστέρηση µεταφοράς (latency). 1.5.1 ¢È·ÌÂÙ·ÎÔÌÈÛÙÈ΋ πηÓfiÙËÙ·

Η διαµετακοµιστική ικανότητα συνήθως εκφράζεται ως το πλήθος των bits που µπορούν να µεταφερθούν αξιόπιστα µέσα από το δίκτυο σε ένα συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα. π.χ. ένα δίκτυο µε διαµετακοµιστική ικανότητα 10 Mbps περιµένουµε ότι θα µπορεί να µεταφέρει από άκρο σε άκρο, χωρίς σφάλµατα, 10 εκατοµµύρια bits στο χρόνο του ενός δευτερολέπτου. Σε γενικές γραµµές, η διαµετακοµιστική ικανότητα ενός δικτύου Η/Υ είναι ένας πολύ σύνθετος παράγοντας, ο οποίος εξαρτάται από τους ρυθµούς µετάδοσης των µεταγωγέων, από τις λειτουργίες ελέγχου και διαχείρισης κυκλοφορίας που εκτελούνται στους µεταγωγείς και από το ρυθµό εµφάνισης σφαλµάτων κατά τη µεταφορά δεδοµένων. Εάν η δικτυακή εφαρµογή που θέλουµε να εκτελέσουµε απαιτεί τη µεταφορά αρχείων µεγάλου µεγέθους (π.χ., η ανάκτηση άρθρων από ψηφιακή βιβλιοθήκη), τότε η διαµετακοµιστική ικανότητα είναι καθοριστικός παράγοντας χαρακτηρισµού της απόδοσης του δικτύου.

33

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

34

1.5.2 ∫·ı˘ÛÙ¤ÚËÛË ªÂÙ·ÊÔÚ¿˜

Η καθυστέρηση µεταφοράς εκφράζει το χρονικό διάστηµα που απαιτείται για να µεταφερθεί ένα bit από ένα άκρο του δικτύου σε ένα άλλο άκρο και ισούται µε το ακόλουθο άθροισµα: Καθυστέρηση Μεταφοράς = Χρόνος ∆ιάδοσης + Χρόνος Μετάδοσης + Χρόνος Αναµονής Ο πρώτος όρος του αθροίσµατος είναι ο απαιτούµενος χρόνος για να διαδοθεί ένα bit διαµέσου των φυσικών µέσων που συνθέτουν την από άκρο – σε – άκρο διαδροµή. Επειδή τίποτα δεν µπορεί να διαδοθεί µε ταχύτητα µεγαλύτερη από αυτήν του φωτός, ο χρόνος διάδοσης έχει ως κάτω φράγµα το πηλίκο της απόστασης των δύο άκρων διά την ταχύτητα διάδοσης του φωτός. Ο χρόνος µετάδοσης ισούται µε τον αντίστροφο της διαµετακοµιστικής ικανότητας της διαδροµής του δικτύου. Π.χ. σε µία διαδροµή µε διαµετακοµιστική ικανότητα 10 Mbps, ο χρόνος µετάδοσης ενός bit θα είναι ίσος µε 0.1 µsec. Τέλος, ο χρόνος αναµονής ισούται µε το χρόνο που περιµένει το πακέτο στον προσωρινό ενταµιευτή του κάθε µεταγωγέα µέχρι να εξυπηρετηθεί. Ο ακριβής υπολογισµός του χρόνου αναµονής είναι ένα δύσκολο πρόβληµα, και, τουλάχιστον από όσα γνωρίζουµε, µπορούµε να εκφράσουµε προσεγγιστικές εκτιµήσεις µόνο για µερικές ειδικές κατηγορίες δικτύων. Στα σύγχρονα δίκτυα ο χρόνος διάδοσης αποτελεί τον κυρίαρχο όρο στο άθροισµα υπολογισµού της καθυστέρησης µεταφοράς. Εάν η δικτυακή εφαρµογή που θέλουµε να εκτελέσουµε απαιτεί µικρούς χρόνους απόκρισης και ανταλλάσσει αρχεία µικρού µεγέθους µεταξύ των πελατών και των εξυπηρετητών της (π.χ. τηλε – ειδοποίηση ή τηλε – έλεγχος), τότε η καθυστέρηση µεταφοράς παίζει σηµαντικό ρόλο στο χαρακτηρισµό της απόδοσης δικτύου. ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 1.3 Έστω ότι ενώνουµε δύο κόµβους σε Αθήνα και Θεσσαλονίκη µε απευθείας σύνδεσµο, ο οποίος έχει ρυθµό µεταγωγής 1 Mbps, δεν παρουσιάζει σφάλµατα κατά τη µεταφορά δεδοµένων και διατίθεται αποκλειστικά για την εξυπηρέτηση αυτών των δύο κόµβων και µόνο. Γνωρίζοντας ότι η απόσταση Αθήνας – Θεσ/νίκης ισούται µε 500 km, µπορούµε να υπολογίσουµε την καθυστέρηση µεταφοράς L από την ακόλουθη σχέση: L=

500 km 1 bit + 6 ¤ L = 1, 67 msec + 0,001 msec 300.000 km sec 10 bps

1.5 ∞¶√¢√™∏ ¢π∫∆À√À

∆ιευκρινίζουµε ότι, επειδή ο σύνδεσµος διατίθεται αποκλειστικά για την εξυπηρέτηση των δύο κόµβων, τα πακέτα της αντίστοιχης ροής δεδοµένων δε θα επιβαρύνονται µε χρόνο αναµονής. Σε αυτό το παράδειγµα βλέπουµε ότι ο χρόνος διάδοσης είναι τρεις τάξεις µεγέθους µεγαλύτερος από το χρόνο µετάδοσης. Αυτή η διαφορά θα αµβλυνθεί σηµαντικά στα µελλοντικά δίκτυα Η/Υ, καθώς η διαµετακοµιστική τους ικανότητα αναµένουµε να εµφανιστεί τάξεις µεγέθους µεγαλύτερη από ό,τι στα σύγχρονα δίκτυα. 1.5.3 ÷ڷÎÙËÚÈÛÌfi˜ Ù˘ ·fi‰ÔÛ˘ ‰ÈÎÙ‡Ô˘

Οι δύο όροι που παρουσιάσαµε στις προηγούµενες παραγράφους χρησιµοποιήθηκαν ευρέως κατά το παρελθόν για να χαρακτηρίσουν την απόδοση ενός δικτύου. Αξίζει να παρατηρήσουµε ότι, µέχρι πρόσφατα, οι δικτυακές εφαρµογές δεν είχαν ιδιαίτερες απαιτήσεις ποιότητας εξυπηρέτησης (Quality of Service – QoS) από το δίκτυο. π.χ. δε νοµίζω ποτέ κανένας χρήστης να ξεκίνησε τη µεταφορά αρχείου από αποµακρυσµένο κόµβο έχοντας προσυµφωνήσει µε το δίκτυο έναν αυστηρό χρόνο παράδοσης. Στα σύγχρονα δίκτυα, όµως, αρχίζουν να εµφανίζονται και διάφορες υπηρεσίες που έχουν πολύ αυστηρούς περιορισµούς στη λαµβανοµένη από το δίκτυο ποιότητα εξυπηρέτησης. π.χ. στην εκποµπή κινούµενης εικόνας, η διακύµανση της καθυστέρησης µεταφοράς πακέτου δε θέλουµε να υπερβαίνει µία συγκεκριµένη τιµή. Πράγµατι, στην εκποµπή κινούµενης εικόνας κάθε στιγµιότυπο (καρέ) µεταδίδεται στο δίκτυο µε σταθερό ρυθµό – συνήθως ίσο µε 30 καρέ/sec. Έτσι, κατά την είσοδό του στο δίκτυο, κάθε καρέ απέχει από το προηγούµενό του και το επόµενό του χρόνο ίσο µε 33 msec. Το κάθε καρέ, κατά τη µεταφορά του από το δίκτυο, υποµένει διαφορετική καθυστέρηση από τα υπόλοιπα καρέ. Αν η διαφορά στην καθυστέρηση που έχουν υποστεί δύο διαδοχικά καρέ υπερβαίνει τα 33 msec, τότε το δεύτερο καρέ δε θα είναι διαθέσιµο προς απεικόνιση στην ώρα του, µε συνέπεια µια στιγµιαία παραµόρφωση της λαµβανόµενης εικόνας. Κατά συνέπεια, αναµένουµε ότι για το χαρακτηρισµό της απόδοσης ενός µελλοντικού δικτύου θα πρέπει να συνυπολογίζουµε και τα προκαθορισµένα και προσυµφωνηµένα όρια αποδεκτής ποιότητας εξυπηρέτησης των διαφόρων κλήσεων.

35

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

36

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 1.7 Στην προηγούµενη παράγραφο, στο παράδειγµα µε την εκποµπή κινούµενης εικόνας, αναφέραµε ότι «το κάθε καρέ, κατά τη µεταφορά του από το δίκτυο, υποµένει διαφορετική καθυστέρηση από τα υπόλοιπα καρέ». Αυτή η διακύµανση στην καθυστέρηση προκύπτει γιατί κάθε καρέ έχει διαφορετικό: (α)χρόνο διάδοσης (β) χρόνο µετάδοσης (γ) χρόνο αναµονής από τα υπόλοιπα καρέ;

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 1.5 ∆ώστε δύο παραδείγµατα υπηρεσιών που αναµένουµε στα µελλοντικά δίκτυα και περιγράψτε από δύο κριτήρια ποιότητας εξυπηρέτησής τους.

™YNOæH

™‡ÓÔ„Ë • Τα δίκτυα Η/Υ είναι ένα σύνολο από διασυνδεδεµένους κόµβους οι οποίοι επιτρέπουν την ανταλλαγή ή τη µεταβίβαση πληροφορίας. • Οι υπολογιστές διασυνδέονται απευθείας, είτε µε συνδέσµους σηµείου µε σηµείο είτε µε συνδέσµους πολλαπλής πρόσβασης. • Για τη διασύνδεση αποµακρυσµένων κόµβων χρησιµοποιούνται µεταγωγείς και διαµοιραζόµενοι σύνδεσµοι σηµείου µε σηµείο. • Οι πιο συνηθισµένοι τύποι δικτύων µεταγωγής είναι τα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος και τα δίκτυα µεταγωγής πακέτων. Η µεταγωγή πακέτων µπορεί να χρησιµοποιεί είτε ιδεατά κυκλώµατα είτε αυτοδύναµα πακέτα. • Η µετάδοση µε αποθήκευση – και – προώθηση είναι µια αποδοτική τεχνική, που χρησιµοποιείται στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων. • Σε κάθε κόµβο του δικτύου έχει καταχωριστεί µια µοναδική διεύθυνση. Η διεύθυνση του κόµβου προορισµού χαρακτηρίζει τα πακέτα µιας ροής δεδοµένων και χρησιµοποιείται από τους µεταγωγείς για τη δροµολόγηση των πακέτων. • Ένας σύνδεσµος µπορεί να χρησιµοποιείται ταυτόχρονα από διάφορες ροές δεδοµένων µε εφαρµογή της πολύπλεξης. • Η στατιστική πολύπλεξη είναι πιο αποδοτική τεχνική διαµοιρασµού συνδέσµων στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων από τις τεχνικές TDM και FDM. • Το δίκτυο πρέπει να εξοπλίζεται µε µηχανισµούς εντοπισµού και αντιµετώπισης σφαλµάτων µεταφοράς. • ∆ύο δείκτες µέτρησης της απόδοσης δικτύου είναι η διαµετακοµιστική ικανότητα και η καθυστέρηση µεταφοράς. Ο χρόνος διάδοσης αποτελεί τον κυρίαρχο παράγοντα της καθυστέρησης µεταφοράς. • Η εισαγωγή διαφόρων απαιτήσεων ποιότητας εξυπηρέτησης δυσκολεύει το χαρακτηρισµό της απόδοσης δικτύου.

37

K E º A § A I O 1 : ∂ π ™ ∞ ° ø ° ∏ ™ ∆ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ H / Y

38

µÈ‚ÏÈÔÁÚ·Ê›·

Το Κεφάλαιο 1 στο βιβλίο των Peterson και Davie (1996) και τα Κεφάλαια 1 και 2 στο βιβλίο του Walrand (1998) παρουσιάζουν µε κατατοπιστικό τρόπο τις γενικές απαιτήσεις των δικτύων Η/Υ. Η προηγούµενη έκδοση του βιβλίου του Walrand έχει µεταφραστεί στα ελληνικά από τον Μ. Αναγνώστου (1997). Καλογραµµένο και πλήρες είναι το βιβλίο του Tanenbaum (1998), το οποίο αποτελεί ένα από τα βιβλία αναφοράς στο χώρο της προπτυχιακής εκπαίδευσης στα δίκτυα Η/Υ. Η προηγούµενη έκδοση και από αυτό το βιβλίο έχει µεταφραστεί στα ελληνικά από τους Ν. Παπαντώνη και Κ. Καραΐσκο (1992). Μια περιεκτική αναφορά των υπηρεσιών του ∆ιαδικτύου δίνεται στο βιβλίο του Comer (1997). Τέλος, ιδιαίτερα διαφωτιστικό είναι το βιβλίο των Α. Αλεξόπουλου και Γ. Λαγογιάννη (1997). [1] Larry L. Peterson and Bruce S. Davie. «Computer Networks: A System Approach». Morgan Kaufmann Publishers, Inc. ISBN 1 – 55860 – 368 – 9. (1996). [2] Jean Walrand. «Communications Networks: A First Course». Second Edition. McGraw – Hill. ISBN 0 – 256 – 17404 – 0. (1998). [3] Jean Walrand. «∆ίκτυα Επικοινωνιών». Μετάφραση: Μιλτιάδης Αναγνώστου. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. ISBN 960 – 7510 – 45 – 3. (1997). [4] Andrew Tanenbaum. «Computer Networks». Third Edition. Prentice – Hall, Inc. ISBN 0 – 13 – 349945 – 6. (1996). [5] Andrew Tanenbaum. «∆ίκτυα Υπολογιστών». Μετάφραση: Νίκος Παπαντώνης και Κώστας Καραΐσκος. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. ISBN 960 – 7182 – 00 – 6. (1992). [6] Douglas E. Comer. «The Internet Book: Everything you need to know about computer networking and how the Internet works». Second Edition. Prentice – Hall, Inc. ISBN 0 – 13 – 890161 – 9. (1997). [7] Άρης Αλεξόπουλος και Γιώργος Λαγογιάννης. «Τηλεπικοινωνίες και ∆ίκτυα Υπολογιστών». Τέταρτη Έκδοση. ISBN 960 – 220 – 086 – 3. (1997).

∫

∂

∞Ú¯ÈÙÂÎÙÔÓÈ΋ ¢ÈÎÙ‡Ô˘ ™ÎÔfi˜

2 º

Σε αυτό το κεφάλαιο θα γνωρίσουµε τις βασικές αρχές της αρχιτεκτονικής δικτύου και δύο εφαρµογές τους: το µοντέλο αναφοράς για τη διασύνδεση ανοικτών συστηµάτων OSI και την αρχιτεκτονική του ∆ιαδικτύου.

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτό το κεφάλαιο, θα µπορείτε να: • δώσετε δύο τουλάχιστον λόγους γιατί να οργανώνουµε τις λειτουργίες των δικτύων σε επίπεδα, • ορίσετε τους όρους «πρωτόκολλο», «αρχιτεκτονική» και «ενθυλάκωση» σε ένα επικοινωνιακό σύστηµα, • περιγράψετε τα επτά επίπεδα του µοντέλου αναφοράς OSI και να προσδιορίσετε τις βασικές λειτουργίες που εκτελούνται σε καθένα από αυτά, • αναφέρετε τα τέσσερα επίπεδα στα οποία οργανώνονται οι λειτουργίες ενός δικτύου που χρησιµοποιεί τα πρωτόκολλα του ∆ιαδικτύου και να περιγράψετε τις βασικές λειτουργίες που εκτελούνται σε καθένα από αυτά, • αντιστοιχίσετε τα επίπεδα του ∆ιαδικτύου µε τα επίπεδα του µοντέλου OSI.

ŒÓÓÔȘ ÎÏÂȉȿ • ενθυλάκωση

• µοντέλο αναφοράς OSI

• Επίπεδο Εφαρµογής

• πρωτόκολλο IP

• Επίπεδο ∆ικτύου

• πρωτόκολλο TCP

• Επίπεδο Μεταφοράς

• πρωτόκολλο UDP

• Επίπεδο Παρουσίασης

• Φυσικό Επίπεδο

• Επίπεδο Συνόδου • Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων

∞

§

∞

π

√

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

40

∂ÈÛ·ÁˆÁÈΤ˜ ·Ú·ÙËÚ‹ÛÂȘ Όπως είδαµε στο Κεφάλαιο 1, ένα δίκτυο υπολογιστών θα πρέπει να έχει σχεδιαστεί και αναπτυχθεί έτσι ώστε να αποτελεί ένα αξιόπιστο, αποδοτικό, ασφαλές και οικονοµικό µέσο ανταλλαγής ή µεταβίβασης πληροφοριών µεταξύ των χρηστών. Επίσης, κατά τη σχεδίαση και ανάπτυξη ενός δικτύου Η/Υ θα πρέπει να λαµβάνεται υπόψη ότι είναι ένα περιβάλλον δυναµικά εξελισσόµενο, καθώς προσπαθεί να ικανοποιήσει τόσο τις συνεχώς αυξανόµενες και µεταβαλλόµενες απαιτήσεις των χρηστών όσο και να ενσωµατώσει τις ραγδαίες τεχνολογικές εξελίξεις. Όλες οι παραπάνω απαιτήσεις καθιστούν τη σχεδίαση ενός δικτύου υπολογιστών ένα πολύπλοκο πρόβληµα. Για να µπορέσουν να χειριστούν αυτή την πολυπλοκότητα, οι σχεδιαστές οργανώνουν τις λειτουργίες των δικτύων υπολογιστών σε σειρές από στρώµατα ή επίπεδα. Αυτή η διαστρωµάτωση είναι η βασική ιδέα, αλλά και η κοινή πρακτική, σε όλες τις αρχιτεκτονικές δικτύων. Σε αυτό το κεφάλαιο προσδιορίζουµε µε σαφήνεια την έννοια της διαστρωµάτωσης και, κατ’ επέκταση, τις βασικές αρχές της αρχιτεκτονικής δικτύου και παρουσιάζουµε συνοπτικά το µοντέλο αναφοράς για τη διασύνδεση ανοικτών συστηµάτων OSI (Open Systems Interconnection) και την αρχιτεκτονική του ∆ιαδικτύου.

2.1 ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∂™ ¢π∫∆Àø¡ ™∂ ∂¶π¶∂¢∞

2.1 ∞Ú¯ÈÙÂÎÙÔÓÈΤ˜ ‰ÈÎÙ‡ˆÓ Û Â›‰·

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτή την ενότητα, θα µπορείτε να: • εξηγήσετε την ανάγκη ιεράρχησης των υπηρεσιών στα επικοινωνιακά συστήµατα, • αναφέρετε δύο πλεονεκτήµατα της διαστρωµάτωσης υπηρεσιών στα συστήµατα επικοινωνιών, • δώσετε τον ορισµό του πρωτοκόλλου και της αρχιτεκτονικής σε ένα επικοινωνιακό σύστηµα, • προσδιορίσετε την αναγκαιότητα των σηµείων επαφής υπηρεσίας και πρωτοκόλλου, • περιγράψετε τη διαδικασία της ενθυλάκωσης των µηνυµάτων υψηλότερου επιπέδου στα µηνύµατα χαµηλότερου επιπέδου. Ένα πολύπλοκο σύστηµα, για να µπορέσουµε να το χειριστούµε, πρέπει να αρχίσουµε να το σκεφτόµαστε αφαιρετικά. Η βασική ιδέα είναι να µπορέσουµε να διακρίνουµε ένα τµήµα του συστήµατος, να προσδιορίσουµε επακριβώς τις λειτουργίες του και να καθορίσουµε µε σαφήνεια τα σηµεία επαφής του και τις αλληλεξαρτήσεις του µε τα υπόλοιπα τµήµατα του συστήµατος. Έτσι, θα µπορέσουµε να το αντικαταστήσουµε µε ένα «µαύρο κουτί», αποκρύπτοντας τις περιττές λεπτοµέρειες και την πολυπλοκότητα του τµήµατος αυτού. ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 2.1 Έστω ότι ο γενικός διευθυντής µιας πολυεθνικής εταιρείας θέλει να στείλει ένα µήνυµα σε όλους τους τοπικούς διευθυντές υποκαταστηµάτων ανά τον κόσµο. Ας θεωρήσουµε ότι ο γενικός διευθυντής γράφει το µήνυµά του στα ελληνικά. ∆ε γνωρίζει τη γλώσσα που µιλάει ο παραλήπτης, αλλά ούτε και τον ενδιαφέρει – απλώς συντάσσει το µήνυµά του.

41

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

42

Mου αρέσει‚ να παίζω golf

µήνυµα

L : English I like play-‚ ing golf

µεταφραστής

Fax No : # L : English I like play-‚ ing golf

γραµµατέας

J' aime‚ à jouer golf‚ ‚

L : English I like play-‚ ing golf

Fax No : # L : English I like play-‚ ing golf

™¯‹Ì· 2.1

Ένα παράδειγµα επικοινωνίας σε επίπεδα Τα διευθυντικά στελέχη επικοινωνούν µεταξύ τους αγνοώντας τη γλώσσα οµιλίας και τον αριθµό fax του παραλήπτη. Οι µεταφραστές επικοινωνούν µεταξύ τους χωρίς να εξετάζουν το περιεχόµενο του µηνύµατος και µη γνωρίζοντας τον αριθµό fax του παραλήπτη. Οι γραµµατείς επικοινωνούν µεταξύ τους χωρίς να εξετάζουν ούτε το περιεχόµενο αλλά ούτε και τη γλώσσα του µηνύµατος.

Κατόπιν το µήνυµα προωθείται στο µεταφραστή, ο οποίος το µετατρέπει σε µια καθολικά κατανοητή γλώσσα, π.χ. στα αγγλικά. Ο µεταφραστής δεν εξετάζει το περιεχόµενο του µηνύµατος – απλώς το µεταφράζει. Τελικά το µήνυµα φτάνει στη γραµµατέα. Αυτή δεν εξετάζει ούτε το περιεχόµενο ούτε τη γλώσσα του µηνύµατος – απλώς επισυνάπτει τον αριθµό fax του παραλήπτη και αποστέλλει το µήνυµα. Έχει όµως υποχρέωση να στείλει αξιόπιστα το τηλεοµοιοτυπικό µήνυµα. Εδώ θα πρέπει να προσθέσουµε ότι η γραµµατέας αγνοεί τις αρχές λειτουργίας µιας συσκευής fax, γνωρίζει µόνο το χειρισµό της. Έστω τώρα ότι το µήνυµα φτάνει στο υποκατάστηµα των Βρυξελλών. Η γραµµατέας του υποκαταστήµατος εξασφαλίζει την αναγνωσιµότητα της τηλεοµοιοτυπίας, τηλεφωνώντας στη γραµµατέα του γενικού διευθυντή για αναµετάδοση του µηνύµατος, εάν χρειάζεται.

2.1 ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∂™ ¢π∫∆Àø¡ ™∂ ∂¶π¶∂¢∞

43

Ο µεταφραστής του υποκαταστήµατος µετατρέπει το µήνυµα στα γαλλικά και το παραδίδει στους διευθυντές του υποκαταστήµατος. Σ’ αυτό το παράδειγµα η επικοινωνία λαµβάνει χώρα σε τέσσερα επίπεδα: στο χαµηλότερο επίπεδο (το οποίο θα καλούµε επίπεδο 1) επικοινωνούν οι συσκευές fax µεταξύ τους, στο επίπεδο 2 επικοινωνούν οι γραµµατείς, στο επίπεδο 3 οι µεταφραστές και στο επίπεδο 4 τα διευθυντικά στελέχη (βλέπε Σχήµα 2.1). ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 2.1 Ας θεωρήσουµε το Παράδειγµα 2.1 Είναι σωστό ή λάθος ότι: Σωστό

Λάθος

Τα διευθυντικά στελέχη αντιλαµβάνονται τις δυσκολίες αποστολής του µηνύµατος µέσω fax.

❏

❏

Στο αρχικό µήνυµα έχει προστεθεί επιπλέον πληροφορία πριν αποσταλεί µέσω του fax.

❏

❏

Η ανταλλαγή µηνυµάτων µεταξύ των διευθυντικών στελεχών είναι ουσιαστικά ισοδύναµη µε την απευθείας επικοινωνία.

❏

❏

Κάθε επίπεδο επικοινωνίας πρέπει να γνωρίζει να αλληλεπιδρά µε όλα τα υπόλοιπα επίπεδα επικοινωνίας.

❏

❏

2.1.1 ¢È·ÛÙڈ̿وÛË Î·È ÚˆÙfiÎÔÏÏ·

Στα συστήµατα επικοινωνιών, η αφαιρετική τους θεώρηση συνήθως οδηγεί στην ιεράρχηση υπηρεσιών και στη διαστρωµάτωση. Για την παροχή µιας σύνθετης τηλεπικοινωνιακής υπηρεσίας η βασική ιδέα είναι απλή στη σύλληψη: ξεκινάµε µε τις υπηρεσίες που παρέχει το χρησιµοποιούµενο υλικό και πάνω τους «χτίζουµε» µια σειρά από επίπεδα, το καθένα από τα οποία προσφέρει υπηρεσίες µε υψηλότερο βαθµό αφαίρεσης. Οι υπηρεσίες των υψηλότερων επιπέδων σχεδιάζονται και υλοποιούνται έτσι ώστε να χρησιµοποιούν τις υπηρεσίες των χαµηλότερων επιπέδων. ¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 2.1 Ας θεωρήσουµε το επικοινωνιακό σύστηµα του Σχήµατος 2.2, το οποίο διασυνδέει τους τερµατικούς σταθµούς Α και Π, χρησιµοποιώντας δύο επίγειες µικροκυµατικές ζεύξεις (τις α και δ) και δύο δορυφορικές ζεύξεις (τις β και γ). Μέσω αυτού του συστήµατος ο

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

44

χρήστης Α ανταλλάσσει µηνύµατα ηλεκτρονικού ταχυδροµείου µε το χρήστη Π. Οργανώστε τις υπηρεσίες που παρέχει το επικοινωνιακό σύστηµα του Σχήµατος 2.2 σε τέσσερα επίπεδα, περιορίζοντας τις υπηρεσίες ενός επιπέδου να χρησιµοποιούν µόνο τις υπηρεσίες του αµέσως χαµηλότερου επιπέδου.

β

α

A

γ

δ

™¯‹Ì· 2.2

Π

Ένα επικοινωνιακό σύστηµα µε επίγειες µικροκυµατικές και δορυφορικές ζεύξεις Ο χρήστης Α επικοινωνεί µέσω ηλεκτρονικού ταχυδροµείου µε το χρήστη Π. Τα δεδοµένα αποστέλλονται από το ένα άκρο στο άλλο µέσω δύο επίγειων µικροκυµατικών ζεύξεων (των α και δ) και µέσω δύο δορυφορικών ζεύξεων (των β και γ).

Πλεονεκτήµατα της διαστρωµάτωσης Ο σχεδιασµός δικτύων σε επίπεδα απλοποιεί την υλοποίησή τους. Αντί να αναπτυχθεί ο απαραίτητος κώδικας ως ένα µονολιθικό κοµµάτι το οποίο θα επιλύει όλα τα ενδεχόµενα προβλήµατα διασύνδεσης, είναι απλούστερο να αναπτυχθούν ξεχωριστά κοµµάτια κώδικα για καθένα διαφορετικό πρόβληµα, τα οποία θα αλληλεπιδρούν µε σαφή και προκαθορισµένο τρόπο. Επιπλέον, η διαστρωµάτωση µας παρέχει τις δυνατότητες της δοµηµένης σχεδίασης και της επαναχρησιµοποίησης λογισµικού. Για παράδειγµα, εάν στο σύστηµα του Σχήµατος 2.2 ο τερµατικός σταθµός Α επικοινωνήσει απευθείας µε το δορυφόρο (δηλαδή εάν οι σύνδεσµοι α και β αντικατασταθούν µε ένα νέο δορυφορικό σύνδεσµο), τότε η εφαρµογή του ηλεκτρονικού ταχυδροµείου δε χρειάζεται να υποστεί καµία τροποποίηση, καθώς αλληλεπιδρά µόνο µε την υπηρεσία της από άκρο σε άκρο επικοινωνίας. Όλες οι απαραίτητες τροποποιήσεις απορροφούνται στα χαµηλότερα επίπεδα επικοινωνίας.

2.1 ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∂™ ¢π∫∆Àø¡ ™∂ ∂¶π¶∂¢∞

45

Πρωτόκολλα Οι αφηρηµένες οντότητες που συνθέτουν τα επίπεδα σε ένα επικοινωνιακό σύστηµα ονοµάζονται πρωτόκολλα. Ένα πρωτόκολλο εκτελεί πρωτογενείς λειτουργίες και παρέχει συγκεκριµένες υπηρεσίες σε οντότητες υψηλότερου επιπέδου του ίδιου υπολογιστή (δηλαδή είτε σε άλλα πρωτόκολλα υψηλότερου επιπέδου είτε σε εφαρµογές τελικού χρήστη). Αυτές οι λειτουργίες και οι υπηρεσίες καθορίζονται µε σαφήνεια στα σηµεία επαφής υπηρεσίας (service interfaces) του πρωτοκόλλου (βλέπε Σχήµα 2.4). Ένα πρωτόκολλο µπορεί να παρέχει πολλές διαφορετικές υπηρεσίες στο ίδιο επίπεδο. Tοπικός H/Y

Aποµακρυσµένος H/Y

Πρωτόκολλο‚ επιπέδου N + 1

Πρωτόκολλο‚ επιπέδου N + 1

Πρωτόκολλο‚ επιπέδου N

Πρωτόκολλο‚ επιπέδου N

Σηµείο επαφής‚ υπηρεσίας

Σηµείο επαφής‚ πρωτοκόλλου

(πραγµατική‚   επικοινωνία) Πρωτόκολλο‚ επιπέδου N - 1

(ιδεατή‚ επικοινωνία)

Πρωτόκολλο‚ επιπέδου N - 1

™¯‹Ì· 2.4

Τα σηµεία επαφής υπηρεσίας και πρωτοκόλλου Οι πρωτογενείς λειτουργίες που εκτελεί ένα πρωτόκολλο και οι υπηρεσίες που παρέχει σε οντότητες υψηλότερου επιπέδου καθορίζονται µε σαφήνεια µέσω των σηµείων επαφής υπηρεσίας του πρωτοκόλλου. Ένα πρωτόκολλο µπορεί να παρέχει πολλές διαφορετικές υπηρεσίες στις οντότητες των υψηλότερων επιπέδων. Οι οντότητες ενός πρωτοκόλλου επικοινωνούν µε τις οµότιµες οντότητες του αποµακρυσµένου υπολογιστή µέσω του σηµείου επαφής πρωτοκόλλου, το οποίο καθορίζει τους κανόνες και τις συνθήκες αυτής της επικοινωνίας. Σκοπός αυτής της επικοινωνίας είναι η υλοποίηση των παρεχόµενων υπηρεσιών του πρωτοκόλλου. Οι επικοινωνίες των οντοτήτων γειτονικών επιπέδων είναι πραγµατικές, σε αντίθεση µε τις επικοινωνίες των οµότιµων οντοτήτων, που είναι ιδεατές. Εξαίρεση αποτελεί η επικοινωνία των οµότιµων οντοτήτων του φυσικού επιπέδου, η οποία είναι πραγµατική.

46

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

Για παράδειγµα, το πρωτόκολλο της από άκρο σε άκρο επικοινωνίας της ∆ραστηριότητας 2.1 µπορεί να παρέχει δύο διαφορετικές υπηρεσίες: µία ακριβή, µε εγγυηµένη ελάχιστη καθυστέρηση µεταφοράς µηνυµάτων, και µία φθηνή, χωρίς άνω φράγµα στην καθυστέρηση µεταφοράς των µηνυµάτων. Επιπρόσθετα, σε κάποιο συγκεκριµένο επίπεδο µπορεί να υπάρχουν περισσότερα από ένα πρωτόκολλα, το καθένα από τα οποία παρέχει διαφορετικές υπηρεσίες. Επίσης, οι οντότητες ενός επιπέδου σ’ έναν υπολογιστή επικοινωνούν µε τις αντίστοιχες οντότητες του ιδίου επιπέδου στον αποµακρυσµένο υπολογιστή. Οι κανόνες και οι συνθήκες που χρησιµοποιούνται σ’ αυτή την επικοινωνία ορίζουν το σηµείο επαφής πρωτοκόλλου (protocol interface). Οι οντότητες του ιδίου επιπέδου συνήθως αναφέρονται στη βιβλιογραφία ως οµότιµες οντότητες (peer objects). Στην πραγµατικότητα, οι οµότιµες διεργασίες δεν επικοινωνούν απευθείας µεταξύ τους. Στον τοπικό υπολογιστή η τοπική διεργασία χρησιµοποιεί µια παρεχόµενη υπηρεσία του κατωτέρου επιπέδου και αποστέλλει τις πληροφορίες στο χαµηλότερο επίπεδο. Αυτό συνεχίζεται µέχρι το φυσικό επίπεδο, στο οποίο υλοποιείται η απευθείας επικοινωνία των ανάλογων οµότιµων διεργασιών. Στον αποµακρυσµένο υπολογιστή ακολουθείται η αντίστροφη πορεία. Το χαµηλότερο επίπεδο περνάει τις πληροφορίες στο ανώτερο επίπεδο, µέσω των αντίστοιχων σηµείων επαφής υπηρεσίας, µέχρις ότου οι πληροφορίες φτάσουν στην οµότιµη διεργασία. Το σύνολο των πρωτοκόλλων συνθέτουν την αρχιτεκτονική δικτύου (network architecture). Τα σηµεία επαφής υπηρεσίας και πρωτοκόλλου αποτελούν τις προδιαγραφές της αρχιτεκτονικής δικτύου. Οι λεπτοµέρειες υλοποίησης των πρωτοκόλλων αποκρύπτονται από τον εξωτερικό χρήστη και δεν αποτελούν µέρος της αρχιτεκτονικής δικτύου. Πολύ συχνά, στη διεθνή βιβλιογραφία, η έµφαση δίνεται µόνο στα σηµεία επαφής πρωτοκόλλων, αποκρύπτοντας και όλα τα ενδιάµεσα σηµεία επαφής υπηρεσιών, εκτός από τα σηµεία επαφής του υψηλότερου επιπέδου µε τα οποία αλληλεπιδρά η τελική εφαρµογή. Η αρχιτεκτονική δικτύου επίσης αναφέρεται και ως στοίβα πρωτοκόλλων (protocol stack).

2.1 ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∂™ ¢π∫∆Àø¡ ™∂ ∂¶π¶∂¢∞

47

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 2.2 Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; (α)Τα σηµεία επαφής υπηρεσίας ενός πρωτοκόλλου εξαρτώνται από τον τρόπο µε τον οποίο έχει υλοποιηθεί το πρωτόκολλο. (β) Τα σηµεία επαφής υπηρεσίας των πρωτοκόλλων σχεδιάζονται έτσι ώστε να ελαχιστοποιείται ο όγκος της πληροφορίας που ανταλλάσσουν µεταξύ τους τα δύο γειτονικά πρωτόκολλα. (γ) Η µορφή των µηνυµάτων που ανταλλάσσουν δύο οµότιµες διεργασίες για την υλοποίηση µιας υπηρεσίας καθορίζεται στα αντίστοιχα σηµεία επαφής υπηρεσίας µε τα υψηλότερα επίπεδα. (δ) Ο αριθµός των επιπέδων µιας αρχιτεκτονικής δικτύου επιλέγεται έτσι ώστε να µην υπάρχουν διακεκριµένες λειτουργίες µαζί στο ίδιο επίπεδο. (ε) Το επίπεδο Ν χρησιµοποιεί τις υπηρεσίες όλων των χαµηλότερων επιπέδων για να παράσχει τις υπηρεσίες του στα υψηλότερα επίπεδα.

2.1.2 ∂Óı˘Ï¿ÎˆÛË

Ας επανέλθουµε στο επικοινωνιακό σύστηµα του Σχήµατος 2.2, το οποίο έστω ότι υλοποιείται µε τα πρωτόκολλα του Σχήµατος 2.3. Σύµφωνα µε όσα έχουµε αναφέρει στην προηγούµενη ενότητα, η εφαρµογή ηλεκτρονικού ταχυδροµείου του τοπικού υπολογιστή αποστέλλει ένα µήνυµα στην οµότιµή της εφαρµογή του αποµακρυσµένου υπολογιστή, µεταβιβάζοντας τα δεδοµένα της στο αµέσως χαµηλότερο επίπεδο. Το πρωτόκολλο του 3ου επιπέδου (η από άκρο σε άκρο επικοινωνία) δεν εξετάζει το περιεχόµενο των δεδοµένων που λαµβάνει από την εφαρµογή. Η αποστολή του είναι να µεταφέρει τα δεδοµένα αξιόπιστα στον αποµακρυσµένο υπολογιστή. Ταυτόχρονα όµως θα πρέπει να µεταφέρει και κάποιες πληροφορίες ελέγχου στο οµότιµό του πρωτόκολλο, οι οποίες θα προσδιορίζουν τις ενέργειες χειρισµού των δεδοµένων στον αποµακρυσµένο υπολογιστή. Αυτές οι πληροφορίες ελέγχου συνήθως επισυνάπτονται στα δεδοµένα µε τη µορφή επικεφαλίδας (header). Η επικεφαλίδα είναι µια δοµή δεδοµένων, συνήθως µικρού µεγέθους σε σχέση µε τον όγκο των δεδοµένων, που επισυνάπτεται στην αρχή του µηνύµατος και χρησιµοποιείται για την επικοινωνία οµότιµων οντοτήτων. Επίσης, σε µερικές περιπτώσεις µέρος των πληροφοριών ελέγχου επισυνάπτονται στο τέλος του µηνύµατος, σχηµατίζοντας έτσι µια «ουρά» (trailer). Με αυτό τον τρόπο τα δεδοµένα της εφαρµογής περιλαµβάνονται

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

48

™¯‹Ì· 2.5

Η ενθυλάκωση των µηνυµάτων υψηλότερων επιπέδων στα µηνύµατα των χαµηλότερων επιπέδων Οι πληροφορίες ελέγχου που είναι απαραίτητες για την επικοινωνία των οµότιµων οντοτήτων επισυνάπτονται στα µεταβιβαζόµενα δεδοµένα σε µορφή επικεφαλίδας ή/και σε µορφή «ουράς» του µηνύµατος.

στο νέο µήνυµα που δηµιουργείται από το πρωτόκολλο του 3ου επιπέδου και η διαδικασία αυτή καλείται ενθυλάκωση. Για παράδειγµα, όπως απεικονίζεται στο Σχήµα 2.5, το πρωτόκολλο 3ου επιπέδου επισυνάπτει την επικεφαλίδα H3 στα δεδοµένα που λαµβάνει από την εφαρµογή και µεταβιβάζει το νέο µήνυµα [H3 | data] στο αµέσως χαµηλότερο επίπεδο. Στο 2ο επίπεδο επισυνάπτεται η επικεφαλίδα H2 και το µήνυµα πλέον λαµβάνει τη µορφή [H2 | H3 | data]. Στο φυσικό επίπεδο προστίθενται τόσο η επικεφαλίδα H1 όσο και η «ουρά» T1, και έτσι στον αποµακρυσµένο υπολογιστή προωθείται το µήνυµα [H1 | H2 | H3 | data | T1]. Στον αποµακρυσµένο υπολογιστή ακολουθείται η αντίστροφη διαδικασία. Στην πορεία του προς το υψηλότερο επίπεδο, το µήνυµα απαλλάσσεται σταδιακά από τις πληροφορίες ελέγχου (επικεφαλίδες και «ουρές») και τελικά παραδίδεται στην εφαρµογή εµπεριέχοντας µόνο το αρχικό µήνυµα της οµότιµης εφαρµογής.

Αποµακρυσµένος H/Y

Τοπικός H/Y Εφαρµογή

Εφαρµογή

data

data

Πρωτόκολλο‚ επιπέδου 3

Πρωτόκολλο‚ επιπέδου 3 H3 data

H3

Πρωτόκολλο‚ επιπέδου 2

data

Πρωτόκολλο‚ επιπέδου 2

H2 H3 data

H2 H3 Υλικό

Υλικό

H1 H2 H3

data

T1

data

2 . 2 ∆ √ ª √ ¡ ∆ ∂ § √ ∞ ¡ ∞ º √ ƒ∞ ™ O S I

49

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 2.3 Κατά το σχεδιασµό ενός πρωτοκόλλου η επικεφαλίδα που επισυνάπτεται στα δεδοµένα του υψηλότερου επιπέδου για την επικοινωνία οµότιµων οντοτήτων επιθυµούµε να είναι µικρού µεγέθους σε σχέση µε τον όγκο των δεδοµένων. ∆ικαιολογήστε αυτή τη σχεδιαστική επιλογή.

2.2 ∆Ô ÌÔÓÙ¤ÏÔ ·Ó·ÊÔÚ¿˜ OSI

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτή την ενότητα θα µπορείτε να: • ορίσετε το µοντέλο αναφοράς OSI και να εξηγήσετε τη σκοπιµότητα ύπαρξής του, • αναφέρετε τα επτά επίπεδα στα οποία οργανώνονται οι λειτουργίες ενός δικτύου σύµφωνα µε το µοντέλο αναφοράς OSI, • περιγράψετε τις βασικές λειτουργίες που εκτελούνται σε καθένα από τα επτά επίπεδα του µοντέλου OSI, • προσδιορίσετε ποια είναι τα τρία επίπεδα που υλοποιούνται σε κάθε κόµβο του δικτύου, είτε είναι ενδιάµεσος είτε είναι τελικός κόµβος, • ορίσετε ποια είναι η µονάδα της πληροφορίας που ανταλλάσσουν οι οµότιµες οντότητες σε κάθε επίπεδο του µοντέλου OSI. Στα τέλη της δεκαετίας του 1970, ο ∆ιεθνής Οργανισµός Τυποποίησης (International Organization for Standardization, ISO) διατύπωσε µια σειρά από οδηγίες για την αρχιτεκτονική δικτύου. Αυτές οι οδηγίες συνέθεσαν το µοντέλο αναφοράς για τη ∆ιασύνδεση Ανοικτών Συστηµάτων (Open Systems Interconnection, OSI), το οποίο συνοπτικά θα αναφέρεται ως µοντέλο αναφοράς OSI. Αξίζει να παρατηρήσουµε ότι το µοντέλο αναφοράς OSI δεν αποτελεί µια αρχιτεκτονική δικτύου, καθώς δεν καθορίζει τα αναγκαία πρωτόκολλα και τα σηµεία επαφής τους. Ο οργανισµός ISO, σε συνδυασµό µε τη ∆ιεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunication Union, ITU), καθόρισε µια σειρά από πρωτόκολλα βασισµένα στο µοντέλο αναφοράς OSI, τα οποία συχνά καλούνται ως η σειρά πρωτοκόλλων «X.» (π.χ. X.25, X.400, X.500 κ.ά.). Τα πρωτόκολλα ISO δεν έτυχαν όµως ευρείας αποδοχής και χαρακτηρίστηκαν έτσι από την εµπορική αποτυχία τους.

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

50

™¯‹Ì· 2.6

Eφαρµογής

Eφαρµογής

Παρουσίασης

Παρουσίασης

Συνόδου

Συνόδου

Mεταφοράς

Mεταφοράς

Το µοντέλο αναφοράς OSI Το µοντέλο αναφοράς OSI οργανώνεται σε επτά επίπεδα. Οι λειτουργίες των τριών χαµηλότερων επιπέδων (Φυσικό, Σύνδεσης ∆εδοµένων και ∆ικτύου) διενεργούν τον έλεγχο της µετάδοσης µηνυµάτων µέσα στο δίκτυο, ενώ οι λειτουργίες των υπόλοιπων ανώτερων επιπέδων (Μεταφοράς, Συνόδου, Παρουσίασης και Εφαρµογής) παρέχουν την αξιόπιστη µεταβίβαση της πληροφορίας από άκρο σε άκρο.

∆ικτύου

∆ικτύου

∆ικτύου

∆ικτύου

Σύνδεσης‚ ∆εδοµένων

Σύνδεσης‚ ∆εδοµένων

Σύνδεσης‚ ∆εδοµένων

Σύνδεσης‚ ∆εδοµένων

Φυσικό

Φυσικό

Φυσικό

Φυσικό

Kόµβοι του δικτύου

Το µοντέλο αναφοράς OSI επηρέασε όχι τόσο τον τρόπο µε τον οποίο σχεδιάζουµε, αλλά πολύ περισσότερο τον τρόπο µε τον οποίο κατανοούµε τα δίκτυα υπολογιστών. Το µοντέλο αναφοράς OSI έχει επτά επίπεδα (βλέπε Σχήµα 2.6). Τα τρία χαµηλότερα επίπεδα ασχολούνται µε τον έλεγχο της µετάδοσης των µηνυµάτων µέσα στο δίκτυο, ενώ τα τέσσερα ανώτερα επίπεδα παρέχουν την αξιόπιστη µεταβίβαση των δεδοµένων µεταξύ των τελικών χρηστών. Έτσι, και τα επτά επίπεδα υλοποιούνται µόνο στους υπολογιστές που λειτουργούν ως τερµατικοί σταθµοί.

2 . 2 ∆ √ ª √ ¡ ∆ ∂ § √ ∞ ¡ ∞ º √ ƒ∞ ™ O S I

2.2.1 ∆Ô º˘ÛÈÎfi ∂›‰Ô

Στο Φυσικό Επίπεδο καθορίζονται οι ηλεκτρικές, µηχανικές και λειτουργικές προδιαγραφές για τη µετάδοση των δεδοµένων πάνω από ένα φυσικό µέσο, όπως, π.χ. η οπτική ίνα, το οµοαξονικό καλώδιο, η µικροκυµατική ζεύξη κ.ά. Για παράδειγµα, οι ερωτήσεις που θα πρέπει να απαντηθούν από τις προδιαγραφές του Φυσικού Επιπέδου είναι της µορφής: ― Ποια στάθµη τάσης αντιστοιχεί στο bit 1 και ποια στο bit 0; ― Ποια είναι η χρονική διάρκεια του παλµού ενός bit; ― Ποια είναι η διαδικασία εγκαθίδρυσης της σύνδεσης µε το δίκτυο πριν από τη µετάδοση των δεδοµένων και ποια η διαδικασία τερµατισµού αυτής; ― Πώς καθορίζεται ο ρυθµός µετάδοσης των δεδοµένων; ― Σε τι σήµα αντιστοιχεί ο κάθε ακροδέκτης του συνδετήρα του δικτύου; Σε αυτό το σηµείο θα πρέπει να τονίσουµε ότι στο Φυσικό Επίπεδο τα δεδοµένα γίνονται αντιληπτά ως µια «ακατέργαστη» ακολουθία bits και µόνο. 2.2.2 ∆Ô ∂›Â‰Ô ™‡Ó‰ÂÛ˘ ¢Â‰Ô̤ӈÓ

Το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων µάς παρέχει την αξιόπιστη µεταφορά των δεδοµένων πάνω από τα φυσικά µέσα. Έτσι, στο Επίπεδο ∆ικτύου το φυσικό µέσο µετάδοσης εµφανίζεται ως ένας σύνδεσµος απαλλαγµένος από σφάλµατα µεταφοράς, κάτι που στην πραγµατικότητα δεν ισχύει. Τα δεδοµένα που εισέρχονται στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων από το υψηλότερο Επίπεδο ∆ικτύου οργανώνονται σε πλαίσια (frames). Στα πλαίσια ενσωµατώνονται οι πληροφορίες ελέγχου αυτού του επιπέδου, µε τη µορφή επικεφαλίδας και «ουράς». Εκτός από τον έλεγχο σφαλµάτων, οι πληροφορίες που περιέχονται στις επικεφαλίδες και στις «ουρές» των πλαισίων συνήθως χρησιµοποιούνται για τον έλεγχο ροής (flow control) και για τον προσδιορισµό της διεύθυνσης του φυσικού µέσου. Στον παραλήπτη, όταν διαπιστωθεί σφάλµα µεταφοράς κατά τον έλεγχο ενός πλαισίου, τότε, συνήθως, είτε ζητείται η επανεκποµπή του λανθασµένου πλαισίου είτε απλώς ενηµερώνεται το αµέσως ανώτερο επίπεδο µε την αποστολή ενός σχετικού µηνύµατος ειδοποίησης. Ένα άλλο θέµα µε το οποίο ασχολείται το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων είναι ο έλεγχος της ροής δεδοµένων µεταξύ δύο κόµβων, έτσι ώστε να µη στέλνονται περισσότερα δεδοµένα από αυτά που µπορεί να δεχτεί ο κόµβος προορισµού.

51

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

52

Εδώ αξίζει να παρατηρήσουµε ότι, µε βάση τους διαφορετικούς τρόπους χειρισµού των σφαλµάτων µεταφοράς και της ροής δεδοµένων, το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων µπορεί να προσφέρει περισσότερες από µία υπηρεσίες στο Επίπεδο ∆ικτύου, η καθεµία µε διαφορετική ποιότητα και τιµή. Τέλος, εάν το φυσικό µέσο µετάδοσης υποστηρίζει κάποιο σχήµα διευθυνσιοδότησης, τότε αυτό υλοποιείται στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων. Έτσι, στην επικεφαλίδα του πλαισίου δεδοµένων θα πρέπει να καθορίζεται η «φυσική» διεύθυνση του κόµβου προορισµού του. Με τον όρο «φυσική» διεύθυνση ενός κόµβου εννοούµε τη διεύθυνση της αντίστοιχης µονάδας προσπέλασης του φυσικού µέσου µετάδοσης πάνω από το οποίο υλοποιείται το δίκτυο. Η φυσική διεύθυνση είναι αποτυπωµένη στο υλικό µέρος αυτής της συσκευής προσπέλασης («hardwired») και είναι µοναδική για κάθε συσκευή προσπέλασης του φυσικού µέσου που κατασκευάζεται. 2.2.3 ∆Ô ∂›Â‰Ô ¢ÈÎÙ‡Ô˘

Οι µονάδες δεδοµένων που ανταλλάσσουν οι οµότιµες διεργασίες στο Επίπεδο ∆ικτύου καλούνται πακέτα. Στο Επίπεδο ∆ικτύου καθορίζεται ο τρόπος δροµολόγησης των πακέτων από τον αποστολέα στον παραλήπτη και ο έλεγχος συµφόρησης του δικτύου. Ως συµφόρηση ορίζεται εκείνη η κατάσταση του δικτύου όπου η εισερχόµενη κυκλοφορία είναι µεγαλύτερη από αυτή που µπορεί να εξυπηρετήσει απρόσκοπτα το δίκτυο. Ο αλγόριθµος δροµολόγησης των πακέτων µπορεί να είναι είτε στατικός είτε δυναµικός. Στη δεύτερη περίπτωση, κατά την επιλογή της διαδροµής διοχέτευσης της κυκλοφορίας µιας κλήσης λαµβάνεται υπόψη και ο φόρτος του δικτύου. Οι σηµερινοί δυναµικοί αλγόριθµοι δροµολόγησης έχουν ως κύριο στόχο τη γρήγορη εξάλειψη των περιστατικών συµφόρησης στο δίκτυο. Στα µελλοντικά δίκτυα υψηλής απόδοσης, όπου θα προσφέρονται υπηρεσίες πραγµατικού χρόνου που θα απαιτούν εγγυηµένη ποιότητα εξυπηρέτησης από το δίκτυο, οι αλγόριθµοι δροµολόγησης θα επιδιώκουν την αποφυγή των περιστατικών συµφόρησης. Τέλος, σε αυτό το επίπεδο υλοποιείται το σχήµα διευθυνσιοδότησης του δικτύου. Κάθε κόµβος που ανήκει σε ένα δίκτυο χαρακτηρίζεται µοναδικά από τη διεύθυνση δικτύου. Η διεύθυνση δικτύου είναι µια παράµετρος του κόµβου, ορίζεται στο λογισµικό µέρος του και δεν πρέπει να συγχέεται µε τη φυσική διεύθυνσή του. Η δροµολόγηση των πακέτων γίνεται µε βάση τη διεύθυνση δικτύου του παραλήπτη κόµβου.

2 . 2 ∆ √ ª √ ¡ ∆ ∂ § √ ∞ ¡ ∞ º √ ƒ∞ ™ O S I

53

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 2.4 Ας θεωρήσουµε τα δύο ξεχωριστά δίκτυα δ1 και δ2 του Σχήµατος 2.7, τα οποία αναπτύσσονται πάνω από διαµοιραζόµενο φυσικό µέσο του ιδίου τύπου. Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι σωστές; (α)Οι φυσικές διευθύνσεις των κόµβων Α και Β είναι διαφορετικές. (β) Οι διευθύνσεις δικτύου των κόµβων Α και Β µπορεί να είναι ίδιες. (γ) Εφόσον οι κόµβοι Α και ∆ είναι διασυνδεδεµένοι σε ανεξάρτητα τµήµατα του φυσικού µέσου και δεν ανήκουν στο ίδιο δίκτυο, τότε οι φυσικές τους διευθύνσεις µπορεί να είναι ίδιες. (δ) Οι διευθύνσεις δικτύου των κόµβων Α και ∆ πρέπει να είναι διαφορετικές. (ε) Όταν ο κόµβος Γ µεταφερθεί από το δίκτυο δ2 στο δίκτυο δ1, τότε θα αλλάξει η φυσική διεύθυνσή του.

δ2

δ1 A

B

Γ

∆ ™¯‹Ì· 2.7

Τα δίκτυα για την Άσκηση αυτοαξιολόγησης 2.4

2.2.4 ∆Ô ∂›Â‰Ô ªÂÙ·ÊÔÚ¿˜

Στο Επίπεδο Μεταφοράς υλοποιείται το κανάλι επικοινωνίας µεταξύ των τερµατικών κόµβων, µέσω του οποίου θα µεταβιβάζονται αξιόπιστα τα µηνύµατά τους. Στον αποστολέα κόµβο τα µηνύµατα που εισέρχονται από το ανώτερο Επίπεδο Συνόδου συνήθως διασπώνται σε πακέτα, τα οποία αριθµούνται και προωθούνται για µετάδοση στο χαµηλότερο Επίπεδο ∆ικτύου. Αντίστοιχα, στον παραλήπτη κόµβο τα αρχικά µηνύµατα επανασυνθέτονται από τα εισερχόµενα πακέτα και προωθούνται προς επεξεργασία στο Επίπεδο Συνόδου. Σε αυτό το επίπεδο συνήθως συµπεριλαµβάνεται και ένα σχήµα επιβεβαίωσης, το οποίο χρησιµοποιείται για την επαλήθευση της ορθής παράδοσης των πακέτων στον προορισµό τους. Επίσης, το Επίπεδο Μεταφοράς είναι υπεύθυνο για την εγκαθίδρυση, τη συντήρηση και τον τερµατισµό των καναλιών επικοινωνίας µεταξύ των τερµατικών κόµβων.

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

54

Αυτά µπορεί να είναι είτε ιδεατά κυκλώµατα είτε να υλοποιούνται µε αυτοδύναµα πακέτα (βλέπε Ενότητα 1.2), επιτυγχάνοντας αντίστοιχα επικοινωνία µε σύνδεση (connection oriented) ή χωρίς σύνδεση (connectionless). Σε αρκετές περιπτώσεις περισσότερα από ένα διαφορετικά µηνύµατα χρησιµοποιούν το ίδιο κανάλι επικοινωνίας µεταξύ των τερµατικών κόµβων. Σε άλλες περιπτώσεις ένα µήνυµα µπορεί να χρησιµοποιήσει περισσότερα από ένα κανάλια επικοινωνίας µεταξύ του αποστολέα και του προορισµού για να βελτιώσει το ρυθµό εξυπηρέτησής του. Η πολύπλεξη των µηνυµάτων πραγµατοποιείται στο Επίπεδο Μεταφοράς και διενεργείται µε τρόπο διάφανο στο Επίπεδο Συνόδου. Τέλος, στο Επίπεδο Μεταφοράς διενεργείται και ο έλεγχος της ροής των δεδοµένων µεταξύ των τερµατικών κόµβων, έτσι ώστε να µη λαµβάνει ο παραλήπτης κόµβος περισσότερα δεδοµένα από όσα µπορεί απρόσκοπτα να εξυπηρετήσει. Ο έλεγχος ροής σε αυτό το επίπεδο είναι ξεχωριστός και ανεξάρτητος από τον έλεγχο ροής που διενεργείται στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων. Επειδή σε αυτό το επίπεδο ελέγχεται η από άκρο σε άκρο επικοινωνία, το Επίπεδο Μεταφοράς (και όλα τα ανώτερα από αυτό επίπεδα) υλοποιείται µόνο στους τερµατικούς και όχι στους ενδιάµεσους κόµβους. 2.2.5 ∆Ô ∂›Â‰Ô ™˘Ófi‰Ô˘

Σε αυτό το επίπεδο διενεργούνται όλες οι απαραίτητες λειτουργίες για την εγκαθίδρυση, την επίβλεψη και τον τερµατισµό των συνόδων (sessions) µεταξύ των τελικών εφαρµογών. Για παράδειγµα, πριν από την έναρξη της µετάδοσης δεδοµένων οι τελικές εφαρµογές θα πρέπει να συµφωνήσουν εάν η επικοινωνία θα είναι αµφίδροµη (full duplex), εναλλακτικά αµφίδροµη (half duplex) ή µονόδροµη (simplex). Στην πρώτη περίπτωση τα δεδοµένα µπορούν να µεταδίδονται και προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα, στη δεύτερη περίπτωση µπορούν να µεταδίδονται και προς τις δύο κατευθύνσεις αλλά όχι ταυτόχρονα, ενώ στην τρίτη περίπτωση τα δεδοµένα µεταδίδονται µόνο προς µία κατεύθυνση. Αυτή η διαπραγµάτευση διενεργείται µεταξύ των οµότιµων οντοτήτων του Επιπέδου Συνόδου. Επίσης, από το Επίπεδο Συνόδου προσφέρεται και η υπηρεσία συγχρονισµού, η οποία χαρακτηρίζεται εξαιρετικά χρήσιµη για την αποτελεσµατική αντιµετώπιση καταστάσεων κατάρρευσης της σύνδεσης. Η βασική ιδέα είναι πολύ απλή. Στην ακολουθία δεδοµένων εισάγονται κάποια προσυµφωνηµένα σηµεία συγχρονισµού πριν από τη µετάδοσή τους. Εάν η σύνδεση καταρρεύσει, τότε θα επαναµεταδοθούν µόνο τα δεδο-

2 . 2 ∆ √ ª √ ¡ ∆ ∂ § √ ∞ ¡ ∞ º √ ƒ∞ ™ O S I

µένα που εστάλησαν από το τελευταίο σηµείο συγχρονισµού και µετά και όχι το σύνολό τους, κάτι που θα αποφέρει σηµαντική εξοικονόµηση των πόρων του δικτύου. 2.2.6 ∆Ô ∂›Â‰Ô ¶·ÚÔ˘Û›·Û˘

Το Επίπεδο Παρουσίασης ασχολείται µε την αναπαράσταση των δεδοµένων και έχει ως κύρια λειτουργία την εξασφάλιση της αναγνωσιµότητάς τους, ακόµα και µεταξύ κόµβων που χρησιµοποιούν διαφορετικές µορφές αναπαράστασης της πληροφορίας. Για παράδειγµα, έστω ότι ο αποστολέας κόµβος χρησιµοποιεί την κωδικοσειρά ASCII για την αναπαράσταση χαρακτήρων και ότι οι ακέραιοι αριθµοί εκφράζονται σαν συµπλήρωµα ως προς ένα. Επίσης, έστω ότι ο παραλήπτης κόµβος χρησιµοποιεί την κωδικοσειρά EBCDIC και οι ακέραιοι αριθµοί του εκφράζονται σαν συµπλήρωµα ως προς δύο. Για να µπορέσουν να επικοινωνήσουν οι δύο κόµβοι, θα πρέπει τα δεδοµένα του αποστολέα να µετατραπούν στη µορφή δεδοµένων που αναγνωρίζει ο παραλήπτης. Αυτή η µετατροπή διενεργείται στο Επίπεδο Παρουσίασης. Τέλος, στο Επίπεδο Παρουσίασης συµφωνείται η τεχνική συµπίεσης δεδοµένων και το σχήµα κρυπτογράφησης της πληροφορίας που θα ακολουθούν ο αποστολέας και ο παραλήπτης κόµβος για την εξοικονόµηση των πόρων του δικτύου και την εξασφάλιση της µυστικότητας και της γνησιότητας της πληροφορίας, αντίστοιχα. 2.2.7 ∆Ô ∂›Â‰Ô ∂Ê·ÚÌÔÁ‹˜

Το Επίπεδο Εφαρµογής παρέχει ένα σύνολο δικτυακών υπηρεσιών στις τελικές εφαρµογές των χρηστών (όπως, π.χ. το ηλεκτρονικό ταχυδροµείο, η µεταφορά αρχείων, η εξοµοίωση τερµατικών, η σύνδεση σε αποµακρυσµένους σταθµούς εργασίας κ.ά.). Ο αναγνώστης δε θα πρέπει να συγχέει την τελική εφαρµογή µε την αντίστοιχη στοιχειώδη υπηρεσία του Επιπέδου Εφαρµογής. Για παράδειγµα, ένα πρόγραµµα µεταφοράς αρχείου είναι µια τελική εφαρµογή χρήστη που βασίζεται στο πρωτόκολλο µεταφοράς αρχείου του Επιπέδου Εφαρµογής. Το πρόγραµµα και το πρωτόκολλο είναι δύο τελείως διαφορετικές οντότητες και δεν πρέπει να τις συγχέουµε ως έννοιες, παρ’ όλο που έχουν το ίδιο ακρωνύµιο (FTP).

55

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

56

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 2.5 Αναγράψτε δίπλα σε κάθε λειτουργία το επίπεδο OSI, στα πλαίσια του οποίου εκτελείται αυτή η λειτουργία. Μια λειτουργία µπορεί να σχετίζεται µε περισσότερα από ένα επίπεδα ή και µε κανένα από αυτά. • κρυπτογράφηση • έλεγχος σφαλµάτων • υλοποίηση προδιαγραφών του φυσικού µέσου • φυσική διευθυνσιοδότηση • έλεγχος συµφόρησης • υλοποίηση συνόδων µεταξύ τελικών εφαρµογών • πολύπλεξη µηνυµάτων • έλεγχος ροής • διευθυνσιοδότηση δικτύου • δροµολόγηση • παροχή στοιχειωδών υπηρεσιών δικτύου στις τελικές εφαρµογές • συµπίεση • συγχρονισµός • υλοποίηση καναλιού επικοινωνίας µεταξύ τερµατικών κόµβων • αναπαράσταση δεδοµένων

2.3 ∏ ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ∆√À ¢π∞¢π∫∆À√À

57

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 2.6 Συµπληρώστε τα κενά της πρότασης επιλέγοντας από τις παρακάτω λέξεις: Τα προς µετάδοση δεδοµένα οργανώνονται σε ………………………… στο Επίπεδο Μεταφοράς, σε ………………………… στο Επίπεδο ∆ικτύου και σε ………………………… στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων, ενώ στο Φυσικό Επίπεδο η επεξεργασία τους γίνεται θεωρώντας τα ως «ακατέργαστη» ………………………… . ακολουθία bits, πακέτα, µηνύµατα, τµήµατα, ακολουθία bytes, κελιά, συνόδους, ακολουθία παλµών, πλαίσια, κανάλια επικοινωνίας

2.3 ∏ ·Ú¯ÈÙÂÎÙÔÓÈ΋ ÙÔ˘ ¢È·‰ÈÎÙ‡Ô˘

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτή την ενότητα, θα µπορείτε να: • αναφέρετε τα τέσσερα επίπεδα στα οποία οργανώνονται οι λειτουργίες ενός δικτύου TCP/IP, • περιγράψετε τις βασικές λειτουργίες που εκτελούνται σε καθένα από τα τέσσερα επίπεδα της αρχιτεκτονικής του ∆ιαδικτύου, • ορίσετε τα δύο πρωτόκολλα του Επιπέδου Μεταφοράς και να διευκρινίσετε την ειδοποιό διαφορά τους, • αναφέρετε πέντε πρωτόκολλα εφαρµογής που χρησιµοποιούνται στα δίκτυα TCP/IP. Το ∆ιαδίκτυο (Internet) είναι µια (τεράστια) συλλογή συνεργαζόµενων δικτύων υπολογιστών. Το ∆ιαδίκτυο σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε έτσι ώστε να εξασφαλίζει την αξιόπιστη επικοινωνία µεταξύ των ανοµοιογενών συστηµάτων που το απαρτίζουν. Το ∆ιαδίκτυο είναι απόγονος του ARPANET, ενός πειραµατικού δικτύου µεταγωγής πακέτων, που χρηµατοδότησε το Υπουργείο Άµυνας των ΗΠΑ το 1969. Στόχος τους ήταν η δηµιουργία ενός δικτύου το οποίο θα µπορούσε αξιόπιστα να µεταφέρει πληροφορία από ένα άκρο του σε ένα άλλο άκρο ακόµα και όταν µερικοί κόµβοι του θέτονταν εκτός λειτουργίας. Στην αρχική του υλοποίηση, το ARPANET συνέδεε τέσσερα αποµακρυσµένα συστήµατα.

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

58

Το ARPANET εξαπλώθηκε µε γοργούς ρυθµούς, συµπεριέλαβε πλήθος κόµβων από την ακαδηµαϊκή και ερευνητική κοινότητα, αλλά σύντοµα αντιµετώπισε το πρόβληµα της ανοµοιογένειας των συνδεδεµένων συστηµάτων. Το 1982 υιοθέτησε ένα σύνολο κανόνων επικοινωνίας, που έγιναν γνωστοί ως η οµάδα πρωτοκόλλων TCP/IP, διασυνδέοντας έτσι µια µεγάλη ποικιλία συστηµάτων και εφαρµογών. Το 1985 δηµιουργήθηκε το NSFNET, το οποίο διέθετε ένα πολύ γρήγορο (για την εποχή του) δίκτυο κορµού και εξυπηρετούσε την ακαδηµαϊκή και ερευνητική κοινότητα των ΗΠΑ. Πολύ σύντοµα πλήθος πανεπιστηµίων, ερευνητικών κέντρων και οργανισµών από όλο τον κόσµο συνδέθηκαν στο NSFNET, σχηµατίζοντας έτσι ένα παγκόσµιο διαδίκτυο.

F T P ™¯‹Ì· 2.8

Η αρχιτεκτονική των δικτύων TCP/IP Οι λειτουργίες των δικτύων TCP/IP οργανώνονται σε τέσσερα επίπεδα. Ονοµάζοντάς τα από το χαµηλότερο επίπεδο προς το υψηλότερο, αυτά είναι τα επίπεδα Πρόσβασης ∆ικτύου, ∆ικτύου, Μεταφοράς και Εφαρµογής.

T E L N C‚ T

R L O G I N

S M T P

D N S

...

H T T P

TCP‚

R T P

T F T P UDP

IP‚ Πρόσβαση ∆ικτύου

Η αρχιτεκτονική του ∆ιαδικτύου, ή αλλιώς η αρχιτεκτονική των δικτύων TCP/IP, απεικονίζεται στο Σχήµα 2.8, όπου παρατηρούµε ότι τα πρωτόκολλα επικοινωνίας οργανώνονται σε τέσσερα επίπεδα. 2.3.1 ∆Ô ∂›Â‰Ô ¶ÚfiÛ‚·Û˘ ¢ÈÎÙ‡Ô˘

Στο χαµηλότερο επίπεδο αυτής της αρχιτεκτονικής, το οποίο καλούµε Επίπεδο Πρόσβασης ∆ικτύου, βρίσκονται εκείνα τα πρωτόκολλα επικοινωνίας που έχουν ως κύρια λειτουργία τη µετάδοση πακέτων µεταξύ συγκεκριµένων κόµβων του δικτύου. Οι κόµβοι επικοινωνούν µεταξύ τους είτε µε σύνδεσµο σηµείου µε σηµείο είτε µέσω κάποιου συνδέσµου πολλαπλής πρόσβασης. Μια µεγάλη ποικιλία πρωτοκόλλων έχουν αναπτυχθεί και χρησιµοποιούνται ευρέως για τη µετάδοση πακέτων πάνω από τους συνδέσµους (π.χ., Ethernet, Token Ring, FDDI, PPP κ.ά.). Συνήθως αυτά τα πρωτόκολλα υλοποιούνται µε τη συνεργατική λειτουργία ενός τµήµατος υλικού (π.χ. ο προσαρµογέας δικτύου) και ενός τµήµατος λογισµικού (π.χ. ο αντίστοιχος «οδηγός» του προσαρµογέα δικτύου). Σύµφωνα µε τα παραπάνω, µπορούµε, σε γενικές γραµµές, να αντιστοιχίσουµε το

2.3 ∏ ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ∆√À INTERNET

Επίπεδο Πρόσβασης ∆ικτύου µε τα δύο χαµηλότερα επίπεδα του µοντέλου αναφοράς OSI (Φυσικό και Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων). 2.3.2 ∆Ô ∂›Â‰Ô ¢ÈÎÙ‡Ô˘

Στο Επίπεδο ∆ικτύου αυτής της αρχιτεκτονικής βρίσκεται µόνο το πρωτόκολλο IP (Internet Protocol), το οποίο ελέγχει τη διευθυνσιοδότηση των κόµβων του δικτύου και τη δροµολόγηση των πακέτων. Το IP, ωστόσο, δεν µπορεί να εγγυηθεί ότι θα παραδώσει όλα τα πακέτα δεδοµένων στον προορισµό τους ή ότι θα τα παραδώσει µε τη σωστή σειρά. Με το πρωτόκολλο IP κατέστη δυνατή η διασύνδεση πολλών διαφορετικών δικτυακών τεχνολογιών και η ενοποίησή τους σε ένα λογικό διαδίκτυο. Για παράδειγµα, στο ∆ιαδίκτυο µπορεί να συνδεθεί κάποιος είτε από το σπίτι του, µέσω του παραδοσιακού τηλεφωνικού δικτύου (PSTN) ή του δικτύου ISDN, είτε µέσω του τοπικού δικτύου του γραφείου του και της αντίστοιχης µόνιµης ζεύξης είτε από την παραλία, το βουνό, ή καθ’ οδόν µε τη χρήση ασύρµατων συστηµάτων τηλεπικοινωνιών (π.χ., το δίκτυο κινητής τηλεφωνίας). Όλοι αυτοί οι χρήστες, παρ’ όλο που χρησιµοποιούν διαφορετικές τεχνολογίες πρόσβασης, έχουν ως κοινό χαρακτηριστικό τη χρήση του πρωτοκόλλου IP. 2.3.3 ∆Ô ∂›Â‰Ô ªÂÙ·ÊÔÚ¿˜

Στο Επίπεδο Μεταφοράς αυτής της αρχιτεκτονικής βρίσκονται τα πρωτόκολλα TCP (Transmission Control Protocol – πρωτόκολλο ελέγχου µετάδοσης) και UDP (User Datagram Protocol – πρωτόκολλο αυτοδύναµων πακέτων χρήστη), τα οποία ελέγχουν την ανταλλαγή των πακέτων µεταξύ των τερµατικών κόµβων, ρυθµίζοντας έτσι την από άκρο σε άκρο επικοινωνία. Το πρωτόκολλο UDP παραδίδει ένα πακέτο στον προορισµό του, διενεργώντας µόνο έναν απλό έλεγχο για να διαπιστωθεί αν το πακέτο έχει υποστεί αλλοίωση κατά τη µεταφορά του µέσω του δικτύου. Αν έχει φθαρεί, τότε απορρίπτεται, αλλιώς προωθείται για περαιτέρω επεξεργασία. Αντίθετα, το πρωτόκολλο TCP διενεργεί πιο σύνθετους ελέγχους σφαλµάτων. Συγκεκριµένα, εάν ένα πακέτο διαπιστωθεί ότι έχει φθαρεί, τότε ζητείται από τον αποστολέα κόµβο η επανεκποµπή του πακέτου. Επιπλέον, το πρωτόκολλο TCP διενεργεί και έλεγχο ροής των πακέτων, φροντίζοντας να µειώσει το ρυθµό µεταφοράς τους σε καταστάσεις συµφόρησης του δικτύου και µέχρις ότου αυτές εξοµαλυνθούν. Από τα παραπάνω παρατηρούµε ότι στα δίκτυα TCP/IP οι σηµαντικές λειτουργίες ελέγχου σφαλµάτων και ελέγχου ροής διενεργούνται στους τερµατικούς κόµβους του δικτύου, απαλλάσσοντας έτσι τους ενδιάµεσους κόµβους από πολύπλοκες και

59

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

60

δαπανηρές λειτουργίες. Αυτό είναι συµβατό µε µια βασική σχεδιαστική αρχή στα δίκτυα υπολογιστών, σύµφωνα µε την οποία «δεν πρέπει να ζητάµε από το δίκτυο να κάνει κάτι που µπορούµε να το κάνουµε µόνοι µας». 2.3.4 ∆Ô ∂›Â‰Ô ∂Ê·ÚÌÔÁ‹˜

Πάνω από το Επίπεδο Μεταφοράς βρίσκεται µια µεγάλη ποικιλία πρωτοκόλλων εφαρµογής, όπως τα FTP (File Transfer Protocol – πρωτόκολλο µεταφοράς αρχείου), TFTP (Trivial File Transfer Protocol – τετριµµένο πρωτόκολλο µεταφοράς αρχείου), SMTP (Simple Mail Transfer Protocol – απλό πρωτόκολλο µεταφοράς ταχυδροµείου), HTTP (HyperText Transfer Protocol – πρωτόκολλο µεταφοράς υπερκειµένου), TELNET (πρωτόκολλο πρόσβασης σε αποµακρυσµένο υπολογιστή), RTP (Real – time Transfer Protocol – πρωτόκολλο µεταφοράς πραγµατικού χρόνου), SNMP (Simple Network Management Protocol – απλό πρωτόκολλο διαχείρισης δικτύου), DNS (Domain Name System – σύστηµα ονοµασίας περιοχών), NFS (Network File System – δικτυακό σύστηµα αρχείων), κ.ά. Η κύρια λειτουργία αυτών των πρωτοκόλλων εφαρµογής είναι η εξασφάλιση της διαλειτουργικότητας των αντίστοιχων εφαρµογών. Για να µπορέσουµε να κατανοήσουµε τη διαφορά µεταξύ του πρωτοκόλλου εφαρµογής και της εφαρµογής, ας θεωρήσουµε τα εργαλεία λογισµικού που χρησιµοποιούνται για ανάγνωση ιστοσελίδων που υπάρχουν διαθέσιµα στο εµπόριο (π.χ., το Netscape Communicator, το MS – Internet Explorer, το Mosaic κ.ά.). Όλες αυτές οι εφαρµογές συµµορφώνονται στους κανόνες του πρωτοκόλλου εφαρµογής HTTP. Συνέπεια αυτού είναι το γεγονός ότι µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε όλα ανεξαιρέτως τα προγράµµατα περιήγησης για να προσπελάσουµε τις ιστοσελίδες κάποιου ηλεκτρονικού τόπου στο ∆ιαδίκτυο. Tα περισσότερα πρωτόκολλα εφαρµογής χρησιµοποιούν τις υπηρεσίες του TCP για την επικοινωνία τους µε τα οµότιµα πρωτόκολλα (π.χ., FTP, SMTP, HTTP, TELNET, RTP). Aρκετά πρωτόκολλα εφαρµογής χρησιµοποιούν το UDP (π.χ., TFTP, SNMP, NFS), ενώ υπάρχουν και µερικά πρωτόκολλα που χρησιµοποιούν και το TCP και το UDP (π.χ., DNS). Τέλος, σε γενικές γραµµές, θα µπορούσαµε να αντιστοιχίσουµε το Επίπεδο Εφαρµογής στη αρχιτεκτονική των δικτύων TCP/IP µε τα τρία υψηλότερα επίπεδα του µοντέλου αναφοράς OSI (Συνόδου, Παρουσίασης και Εφαρµογής). ¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 2.2 Έστω ότι θέλετε να µεταφέρετε ένα αρχείο από έναν τοπικό σε έναν αποµακρυσµένο υπολογιστή. Ποια από τα πρωτόκολλα της αρχιτεκτονικής TCP/IP θα χρησιµοποιούσατε σε αυτή τη µεταφορά και ποιες είναι οι βασικές λειτουργίες τους;

™YNOæH

61

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 2.3 Τα ιστορικά στοιχεία του ∆ιαδικτύου πιστεύουµε ότι είναι ενδιαφέροντα και ότι αξίζει να διερευνήσετε για απαντήσεις σε ερωτήµατα όπως, π.χ. Σε ποιες πόλεις των ΗΠΑ βρίσκονταν οι τέσσερις πρώτοι κόµβοι του ARPANET (1969); ή Ποιες περιοχές συνέδεε στην αρχική του µορφή το NSFNET (1986); ή Ποιος ήταν ο πρώτος οργανισµός στην Ελλάδα που συνδέθηκε µε µόνιµη ζεύξη στο ∆ιαδίκτυο (1989);

™‡ÓÔ„Ë • Για να χειριστούµε την πολυπλοκότητα στη σχεδίαση των δικτύων υπολογιστών, οργανώνουµε τις λειτουργίες τους σε στρώµατα ή επίπεδα. • Η διαστρωµάτωση στις λειτουργίες των δικτύων απλοποιεί την υλοποίησή τους και παρέχει τις δυνατότητες της δοµηµένης σχεδίασης και της επαναχρησιµοποίησης λογισµικού. • Οι αφηρηµένες οντότητες που συνθέτουν τα επίπεδα σε ένα επικοινωνιακό σύστηµα ονοµάζονται πρωτόκολλα. • Οι λειτουργίες που εκτελεί ένα πρωτόκολλο και οι υπηρεσίες που παρέχει σε οντότητες υψηλότερου επιπέδου καθορίζονται στα σηµεία επαφής υπηρεσίας του πρωτοκόλλου. • Οι κανόνες επικοινωνίας των οµότιµων οντοτήτων ενός πρωτοκόλλου ορίζονται στο σηµείο επαφής πρωτοκόλλου. • Ένα σύνολο πρωτοκόλλων ορίζει µια αρχιτεκτονική δικτύου. Τα σηµεία επαφής υπηρεσίας και πρωτοκόλλου αποτελούν τις προδιαγραφές της αρχιτεκτονικής. • Η ενθυλάκωση των µηνυµάτων υψηλότερων επιπέδων στα µηνύµατα των χαµηλότερων επιπέδων είναι µια τυπική διαδικασία στις αρχιτεκτονικές δικτύων, η οποία έχει ως σκοπό τη µεταβίβαση πληροφοριών ελέγχου µεταξύ των οµότιµων οντοτήτων. • Το µοντέλο αναφοράς OSI οργανώνεται σε επτά επίπεδα. Στα τρία χαµηλότερα επίπεδα (Φυσικό, Σύνδεσης ∆εδοµένων και ∆ικτύου) διενεργείται ο έλεγχος της µετάδοσης µηνυµάτων µέσα στο δίκτυο. Στα ανώτερα επίπεδα (Μεταφοράς, Συνόδου, Παρουσίασης και Εφαρµογής) ελέγχεται η µεταβίβαση της πληροφορίας από άκρο σε άκρο. • Στο Φυσικό Επίπεδο καθορίζονται οι ηλεκτρικές, µηχανικές και λειτουργικές προδιαγραφές του φυσικού µέσου. • Στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων διενεργούνται έλεγχοι σφαλµάτων και ροής και υλοποιείται η φυσική διευθυνσιοδότηση.

62

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

• Στο Επίπεδο ∆ικτύου διενεργείται ο έλεγχος συµφόρησης και η δροµολόγηση των πακέτων και υλοποιείται η διευθυνσιοδότηση δικτύου. • Στο Επίπεδο Μεταφοράς εκτελούνται όλες οι απαραίτητες λειτουργίες για την εγκαθίδρυση, τη συντήρηση και τον τερµατισµό των καναλιών επικοινωνίας µεταξύ των τερµατικών κόµβων, διενεργούνται έλεγχοι σφαλµάτων και ροής και υλοποιούνται διάφορα σχήµατα πολύπλεξης δεδοµένων. • Το Επίπεδο Συνόδου επιβλέπει τη λειτουργία των συνόδων µεταξύ των τελικών εφαρµογών, προσφέροντας παράλληλα και την υπηρεσία του συγχρονισµού στη µετάδοση των δεδοµένων. • Το Επίπεδο Παρουσίασης ασχολείται µε την αναπαράσταση των δεδοµένων και την εξασφάλιση της αναγνωσιµότητάς τους, παρέχοντας επιπλέον και τις υπηρεσίες συµπίεσης και κρυπτογράφησης. • Το Επίπεδο Εφαρµογής παρέχει ένα σύνολο δικτυακών υπηρεσιών στις τελικές εφαρµογές των χρηστών. • Τα πρωτόκολλα της αρχιτεκτονικής του ∆ιαδικτύου οργανώνονται σε τέσσερα επίπεδα: Πρόσβασης ∆ικτύου, ∆ικτύου, Μεταφοράς και Εφαρµογής. Στο Επίπεδο ∆ικτύου περιλαµβάνεται ένα µόνο πρωτόκολλο, το IP, ενώ στο Επίπεδο Μεταφοράς βρίσκονται τα πρωτόκολλα TCP και UDP.

B I B § I O ° PA º I A

µÈ‚ÏÈÔÁÚ·Ê›·

Το µοντέλο αναφοράς OSI πρωτοπαρουσιάστηκε στο άρθρο του Zimmerman (1980). Στο βιβλίο του Tanenbaum (1996) παρουσιάζεται αρχικά µε συνοπτικό τρόπο το µοντέλο αναφοράς OSI, ενώ στα επόµενα κεφάλαια το κάθε επίπεδο αναλύεται ξεχωριστά. Η προηγούµενη έκδοση του βιβλίου έχει µεταφραστεί στα ελληνικά από τους Ν. Παπαντώνη και Κ. Καραΐσκο (1992). Για το ∆ιαδίκτυο ένα πολύ κατατοπιστικό εισαγωγικό άρθρο είναι αυτό του Clark (1988), ενώ αρκετά χρήσιµο είναι το βιβλίο του Comer (1997). Επίσης, για το ∆ιαδίκτυο ο αναγνώστης µπορεί να επισκεφτεί τον ηλεκτρονικό τόπο του διεθνούς φορέα που επιβλέπει την ανάπτυξη των πρωτοκόλλων του (Internet Engineering Task Force – IETF), στη διεύθυνση http://www.ietf.org. Εάν ο αναγνώστης επιθυµεί επιπλέον τεχνικό υλικό σχετικά µε το ∆ιαδίκτυο, τότε ενθαρρύνεται να µελετήσει τα RFCs (Request for Comments). Αυτά είναι άρθρα µε σχετικά υψηλό βαθµό τεχνικής παρουσίασης, που προηγούνται της τυποποίησης των πρωτοκόλλων που συνήθως πραγµατεύονται. Για παράδειγµα, τα RFCs 793, 768 και 791 παρουσιάζουν τις προδιαγραφές των πρωτοκόλλων TCP, UDP και IP, αντίστοιχα. Επιπλέον, τα RFCs πραγµατεύονται και άλλα, λιγότερο τεχνικά θέµατα, όπως, π.χ. τις αναµνήσεις ενός από τους πρωτεργάτες του ∆ιαδικτύου του V. Cerf, στο RFC 2468. Τα RFCs είναι διαθέσιµα στη διεύθυνση http://www.rfc–editor.org. Τέλος, ενδιαφέρουσα και κατατοπιστική είναι η συγκριτική παρουσίαση του µοντέλου OSI και της αρχιτεκτονικής του ∆ιαδικτύου στο Kεφάλαιο 1 του βιβλίου των Peterson και Davie (1996), αλλά και των βιβλίων του Padlipsky (1985) και του Walrand (1998). Η προηγούµενη έκδοση του βιβλίου του Walrand έχει µεταφραστεί στα ελληνικά από τον Μ. Αναγνώστου (1997). [1] H. Zimmerman. «OSI reference model – The ISO model of architecture for open systems interconnection». IEEE Transactions on Communications COM – 28(4):425 – 432. (April 1980). [2] Andrew Tanenbaum. «Computer Networks». Third Edition. Prentice – Hall, Inc. ISBN 0 – 13 – 349945 – 6. (1996). [3] Andrew Tanenbaum. «∆ίκτυα Υπολογιστών». Μετάφραση: Νίκος Παπαντώνης και Κώστας Καραΐσκος. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. ISBN 960 – 7182 – 00 – 6. (1992). [4] D. Clark. «The design philosophy of the DARPA internet protocols». Proceedings of the SIGCOMM ’88 Symposium, pages 106 – 114. (August 1988). [5] Douglas E. Comer. «The Internet Book: Everything you need to know about

63

64

KEºA§AIO 2: ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ¢π∫∆À√À

computer networking and how the Internet works». Second Edition. Prentice – Hall, Inc. ISBN 0 – 13 – 890161 – 9. (1997). [6] Larry L. Peterson and Bruce S. Davie. «Computer Networks: A System Approach». Morgan Kaufmann Publishers, Inc. ISBN 1 – 55860 – 368 – 9. (1996). [7] M. A. Padlipsky. «The Elements of Networking Style and Other Essays and Animadversions on the Art of Intercomputer Networking». Prentice Hall, Englewood Cliffs, NJ. (1985). [8] Jean Walrand. «Communications Networks: A First Course». Second Edition. McGraw – Hill. ISBN 0 – 256 – 17404 – 0. (1998). [9] Jean Walrand. «∆ίκτυα Επικοινωνιών». Μετάφραση: Μιλτιάδης Αναγνώστου. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. ISBN 960 – 7510 – 45 – 3. (1997).

∫

∞¢ı›·˜ ™‡Ó‰ÂÛË KfiÌ‚ˆÓ ™ÎÔfi˜

∂

3 º

Σε αυτό το κεφάλαιο θα γνωρίσουµε τα κύρια πρωτόκολλα πλαισίωσης της πληροφορίας και τις βασικές αρχές εντοπισµού και διόρθωσης σφαλµάτων µεταφοράς, εστιάζοντας την προσοχή µας στις πιο συχνά χρησιµοποιούµενες τεχνικές.

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτό το κεφάλαιο, θα µπορείτε να: • αναφέρετε δύο βασικές λειτουργίες που υλοποιούν τα πρωτόκολλα πλαισίωσης. • κατατάξετε σε τρεις κατηγορίες τις τεχνικές πλαισίωσης δεδοµένων. • προσδιορίσετε τη µορφή πλαισίου ενός χαρακτηριστικού πρωτοκόλλου για καθεµία από τις τρεις κατηγορίες πλαισίωσης. • περιγράψετε µε αδρές γραµµές τις λειτουργίες που εκτελούν ο αποστολέας και ο παραλήπτης κόµβος για τον εντοπισµό των σφαλµάτων µεταφοράς. • αναφέρετε συνοπτικά πώς δηµιουργείται ένας συστηµατικός γραµµικός κώδικας δέσµης για τη διόρθωση σφαλµάτων. • προσδιορίσετε τις δυνατότητες διόρθωσης σφαλµάτων ενός γραµµικού κώδικα δέσµης.

ŒÓÓÔȘ ÎÏÂȉȿ • BISYNC

• έλεγχος κυκλικού πλεονασµού (CRC)

• DDCMP

• κώδικας δέσµης (n, k)

• HDLC

• κώδικες

• SDH

διόρθωσης

σφαλµάτων

(ECC)

• SONET

• Πίνακας Τυπικής ∆ιάταξης

• STM – 1

• πλαισίωση

• απόσταση Hamming

• προσθήκη bit

∞

§

∞

π

√

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

66

∂ÈÛ·ÁˆÁÈΤ˜ ·Ú·ÙËÚ‹ÛÂȘ Όπως είδαµε στην Ενότητα 1.2, ο απλούστερος τρόπος διασύνδεσης δύο κόµβων είναι µε χρήση απευθείας συνδέσµου σηµείου µε σηµείο. Επίσης, στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων γνωρίζουµε ότι για τη µεταβίβαση πληροφορίας µεταξύ των κόµβων θα πρέπει να έχει εξασφαλιστεί η αξιόπιστη ανταλλαγή πακέτων µεταξύ αυτών. Όµως, το να έχουµε απλώς «ενώσει» τους δύο κόµβους µε ένα φυσικό µέσο µετάδοσης (π.χ. ένα καλώδιο οπτικής ίνας) δεν αρκεί για αυτή την αξιόπιστη ανταλλαγή πακέτων. Θα πρέπει να έχουν αποσαφηνιστεί τουλάχιστον τα παρακάτω τέσσερα βασικά σηµεία και να έχουν προκαθοριστεί οι λειτουργίες τους: 1. Ποιο είναι το σχήµα κωδικοποίησης των bits πάνω από το φυσικό µέσο µετάδοσης; Με άλλα λόγια, ποιες είναι οι ηλεκτρικές, µηχανικές και λειτουργικές προδιαγραφές στις οποίες έχουν συµφωνήσει οι δύο κόµβοι έτσι ώστε να µπορούν να ανταλλάσσουν bits πάνω από το φυσικό µέσο; Οι λειτουργίες που υλοποιούν την κωδικοποίηση των bits ανήκουν στο Φυσικό Επίπεδο του µοντέλου αναφοράς OSI (µια λεπτοµερής παρουσίαση αυτών των λειτουργιών δίδεται στο βιβλίο «Ψηφιακές Επικοινωνίες» της ίδιας Θεµατικής Ενότητας). 2. Όπως είδαµε στο Κεφάλαιο 2, τα προς µετάδοση bits εισέρχονται στο Φυσικό Επίπεδο του αποστολέα κόµβου, όχι ως µια ακατέργαστη ακολουθία, αλλά οµαδοποιηµένα σε λογικές ενότητες, οι οποίες καλούνται πλαίσια. Αντίστοιχα, στον παραλήπτη κόµβο τα πλαίσια αναγνωρίζονται από την ακολουθία των ληφθέντων bits και προωθούνται για περαιτέρω επεξεργασία ως λογικές ενότητες. Ποια είναι όµως η µορφή αυτών των πλαισίων; Τι είδους πληροφορίες ελέγχου ενσωµατώνονται στα προς µετάδοση bits; Η διαδικασία σύνθεσης των πλαισίων εκτελείται στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων του µοντέλου OSI, και συνήθως αναφέρεται στη βιβλιογραφία ως πλαισίωση. Με την πλαισίωση ασχολούµαστε στην Ενότητα 3.1 αυτού του Kεφαλαίου. 3. Τα πλαίσια όµως µπορεί να υποστούν αλλοιώσεις κατά τη µεταφορά τους και, κατά συνέπεια, ο παραλήπτης κόµβος θα πρέπει να είναι εξοπλισµένος µε µηχανισµούς ελέγχου σφαλµάτων µεταφοράς. Με τους αλγόριθµους εντοπισµού και µε τις αρχές διόρθωσης των σφαλµάτων µεταφοράς ασχολούµαστε στις Ενότητες 3.2 και 3.3, αντίστοιχα. 4. Μόλις ο παραλήπτης κόµβος εντοπίσει ένα αλλοιωµένο πλαίσιο και δεν υλοποιεί τεχνικές διόρθωσης των σφαλµάτων µεταφοράς, τότε, για να αντιµετωπίσει αυτά τα σφάλµατα, µπορεί να ζητήσει την επανεκποµπή του πλαισίου από τον αποστολέα κόµβο. ∆ιάφορα πρωτόκολλα επανεκποµπής είναι γνωστά στη βιβλιογραφία και χρησιµοποιούνται ευρέως στα υπάρχοντα δίκτυα. Αυτά τα πρωτόκολλα παρουσιάζονται και αναλύονται στο 4ο Κεφάλαιο του βιβλίου.

∂ π ™ ∞ ° ø ° π ∫ ∂ ™ ¶ ∞ ƒ∞∆ ∏ ƒ ∏ ™ ∂ π ™

Οι λειτουργίες εντοπισµού και αντιµετώπισης των σφαλµάτων µεταφοράς µπορούν να εκτελούνται είτε στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων του δικτύου είτε στο Επίπεδο Μεταφοράς. Στη δεύτερη περίπτωση εφαρµόζονται επί των µηνυµάτων που ανταλλάσσονται στο από άκρο σε άκρο κανάλι επικοινωνίας που έχει εγκαθιδρυθεί για τη διασύνδεση των τερµατικών σταθµών, το οποίο γίνεται αντιληπτό ως ένας λογικός σύνδεσµος.

67

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

68

3.1 ¶Ï·ÈÛ›ˆÛË

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτή την ενότητα, θα µπορείτε να: • αναφέρετε τις τρεις κατηγορίες των τεχνικών πλαισίωσης δεδοµένων, • προσδιορίσετε τα δύο χαρακτηριστικότερα πρωτόκολλα πλαισίωσης µε οργάνωση ανά byte, • περιγράψετε τη µορφή πλαισίου του πρωτοκόλλου HDLC, • εξηγήσετε πώς αντιµετωπίζουµε την περίπτωση όπου η ειδική ακολουθία συγχρονισµού των πλαισίων εµφανίζεται στα προς µετάδοση δεδοµένα, • περιγράψετε το πρωτόκολλο πλαισίωσης που χρησιµοποιείται διεθνώς από τους τηλεπικοινωνιακούς φορείς για τη µετάδοση ψηφιακού σήµατος πάνω από οπτική ίνα, • δώσετε δύο πλεονεκτήµατα του πρωτοκόλλου SDH έναντι των παλαιοτέρων τεχνικών πλαισίωσης ψηφιακών δεδοµένων. Το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων εκτελεί ένα πλήθος λειτουργιών έτσι ώστε να µας παρέχει την αξιόπιστη µεταφορά των δεδοµένων πάνω από τα φυσικά µέσα. Η πληροφορία που εισέρχεται προς µετάδοση ενθυλακώνεται µέσα σε µια λογική ενότητα, η οποία καλείται πλαίσιο. Όλες οι απαραίτητες πληροφορίες ελέγχου ενσωµατώνονται στην επικεφαλίδα και στην ουρά του πλαισίου. Στη συνέχεια, το πλαίσιο µεταδίδεται ως µια ακολουθία bits πάνω από το φυσικό µέσο (βλέπε Σχήµα 3.1).

Aποστολέας< κόµβος

™¯‹Ì· 3.1

Η µετάδοση δεδοµένων στα δύο χαµηλότερα επίπεδα του δικτύου Μεταξύ των κόµβων ανταλλάσσονται λογικές ενότητες πληροφορίας, οι οποίες ονοµάζονται πλαίσια. Η αρχή και το τέλος του κάθε πλαισίου αναγνωρίζονται στον παραλήπτη κόµβο από τις πληροφορίες ελέγχου που περιέχουν η επικεφαλίδα του και η ουρά του.

Πληροφορία‚ προς µετάδοση

Παραλήπτης< κόµβος

Πληροφορία‚ προς επεξεργασία

01100010100110‚ Aκολουθία bits

3.1 ¶§∞π™πø™∏

Ο παραλήπτης κόµβος µε τη σειρά του λαµβάνει αυτή την ακολουθία των bits και καλείται αρχικά να «σκιαγραφήσει» τα όρια του κάθε πλαισίου, δηλαδή να εντοπίσει την αρχή και το τέλος του. Έτσι, θα µπορέσει να διακρίνει την επικεφαλίδα του και την ουρά του, να εξαγάγει από αυτά τις αναγκαίες πληροφορίες και έτσι να διενεργήσει τους απαραίτητους ελέγχους του επιπέδου. Τέλος, η αρχική πληροφορία προωθείται προς επεξεργασία στα ανώτερα επίπεδα. Στη βιβλιογραφία είναι γνωστοί διάφοροι τρόποι για να συνθέσεις ένα πλαίσιο, τους οποίους θα ονοµάζουµε πρωτόκολλα πλαισίωσης. Αυτά τα πρωτόκολλα τα κατατάσσουµε σε τρεις κατηγορίες: στα πρωτόκολλα όπου το πλαίσιο θεωρείται ως ένα σύνολο από bytes, σε αυτά που το πλαίσιο θεωρείται ως µια συλλογή από bits και, τέλος, σε αυτά όπου η πλαισίωση βασίζεται σε ένα καθολικό ρολόι που λειτουργεί σε όλο το εύρος του δικτύου. 3.1.1 ¶ÚˆÙfiÎÔÏÏ· Ï·ÈÛ›ˆÛ˘ Ì ÔÚÁ¿ÓˆÛË ·Ó¿ byte

Στα πρωτόκολλα αυτής της κατηγορίας το πλαίσιο γίνεται αντιληπτό ως µια συλλογή από bytes. Είναι οι παλαιότερες τεχνικές πλαισίωσης και έχουν λειτουργήσει µε επιτυχία στο παρελθόν. Τώρα η χρήση τους είναι περιορισµένη. Τα δύο χαρακτηριστικότερα πρωτόκολλα αυτής της κατηγορίας είναι το BISYNC (Binary Synchronous Communication), που αναπτύχθηκε από την IBM στα τέλη της δεκαετίας του ’60 για τη διασύνδεση αποµακρυσµένων τερµατικών µε τους (τότε) υπερ – υπολογιστές της σειράς IBM S/360, και το DDCMP (Digital Data Communication Message Protocol) της Digital Equipment Corporation. Η µορφή πλαισίου του πρωτοκόλλου BISYNC Στην πραγµατικότητα υπάρχουν διάφορες παραλλαγές του πρωτοκόλλου BISYNC, ανάλογα µε τις συσκευές επί των οποίων υλοποιείται (τα πιο γνωστά είναι τα πρωτόκολλα 3270 BISYNC, 2780 BISYNC και HASP BISYNC). Στην παρουσίασή µας θα ακολουθήσουµε τις γενικές παραδοχές του πρωτοκόλλου BISYNC όπως αυτές περιγράφονται στην αντίστοιχη έκδοση – ανακοίνωση της IBM. Σε αυτό το σηµείο θα θέλαµε να τονίσουµε αυτό το παράδοξο γεγονός, το οποίο συναντούµε συχνά στα δίκτυα υπολογιστών: οι κατασκευαστές, αντί να αναπτύσσουν αυτούσιο ένα τυποποιηµένο σύστηµα, αναπτύσσουν παραλλαγές αυτού, δηµιουργώντας έτσι προβλήµατα στη διαλειτουργικότητα των συστηµάτων. Φυσικά, αυτό δε γίνεται χωρίς λόγο και συνήθως υπαγορεύεται από τα τµήµατα προώθησης πωλήσεων των εταιρειών. Τα τελευταία χρόνια όµως, µε την ευρεία αποδοχή των «ανοικτών» συστη-

69

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

70

µάτων, παρατηρούµε ότι αυτή η τάση έχει αρχίσει να αντιστρέφεται. Η µορφή του πλαισίου BISYNC απεικονίζεται στο Σχήµα 3.2.α. Το κάθε πλαίσιο χωρίζεται σε πεδία. Τα πλαίσια µεταδίδονται από τα αριστερά προς τα δεξιά, δηλαδή τα δύο πεδία SYN µεταδίδονται πρώτα, στη συνέχεια το SOH κ.ο.κ. Τα bits του κάθε πεδίου οµαδοποιούνται σε bytes και µεταδίδονται σε αύξουσα διάταξη (πρώτα το b0, κατόπιν το b1, … και τελευταίο το bit b7 του κάθε byte). Το µήκος του κάθε πεδίου σηµειώνεται από πάνω του και η µονάδα µέτρησης είναι το bit. π.χ. το καθένα από τα πεδία SYN έχει µήκος 8 bits, ενώ το πεδίο CRC 16 bits. Στα πεδία όπου δεν αναγράφεται το µήκος τους αυτό είναι µεταβλητό. Η αρχή του κάθε πλαισίου δηλώνεται µε τον ειδικό χαρακτήρα συγχρονισµού SYN (π.χ. ο 0¥16 στον κώδικα ASCII). Οι απαραίτητες πληροφορίες ελέγχου που συνοδεύουν το πλαίσιο καταχωρίζονται στην επικεφαλίδα του, η οποία εµφανίζεται στο σχήµα ως το πεδίο «Header». Η αρχή αυτού του πεδίου δηλώνεται µε τον ειδικό χαρακτήρα SOH, ενώ το τέλος του δηλώνεται µε το χαρακτήρα STX. Ο STX δηλώνει ταυτόχρονα και την έναρξη των δεδοµένων του πλαισίου, τα οποία εµφανίζονται στο σχήµα ως το πεδίο «Body». Το τέλος των δεδοµένων δηλώνεται µε τον χαρακτήρα ETX. Τέλος, το πεδίο CRC χρησιµοποιείται από τον παραλήπτη κόµβο για τον εντοπισµό των σφαλµάτων µεταφοράς. 8

8

8

SYN

SYN

SOH

8 Header

Body

STX

8

16

ETX

CRC

(α) H µορφή πλαισίου του πρωτοκόλλου BISYNC

8

8

8

SYN

SYN

SOH

40 Count

Header

16 CRC1

16 Body

CRC2

(β) H µορφή πλαισίου του πρωτοκόλλου DDCMP ™¯‹Ì· 3.2

Η µορφή πλαισίων των πρωτοκόλλων πλαισίωσης µε οργάνωση ανά byte (α) Η µορφή του πλαισίου BISYNC και (β) η µορφή του πλαισίου DDCMP.

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 3.1 Στο πρωτόκολλο BISYNC ποιες είναι οι ακολουθίες bits που ισοδυναµούν µε τους χαρακτήρες ελέγχου SYN, SOH, STX και ETX, αντίστοιχα;

3.1 ¶§∞π™πø™∏

71

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 3.1 Τι συµβαίνει στην περίπτωση που ο ειδικός χαρακτήρας ελέγχου ETX εµπεριέχεται στα δεδοµένα του πλαισίου; Μπορείτε να προτείνετε έναν τρόπο αποφυγής εµφάνισης του ανωτέρω γεγονότος; Υπόδειξη: Χρησιµοποιήστε τον ειδικό χαρακτήρα DLE που παρουσιάσαµε στην απάντηση της Άσκησης Aυτοαξιολόγησης 3.1.

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 3.2 Τι συµβαίνει στην περίπτωση που ο ειδικός χαρακτήρας ελέγχου ETX αλλοιώνεται κατά τη µεταφορά του πλαισίου;

Η µορφή πλαισίου του πρωτοκόλλου DDCMP Στο πρωτόκολλο DDCMP δε χρησιµοποιούνται ειδικοί χαρακτήρες ελέγχου για να οριοθετήσουν το πλαίσιο, όπως στο BISYNC. Η βασική του ιδέα είναι πολύ απλή: χρησιµοποίησε στην αρχή της επικεφαλίδας ένα πεδίο το οποίο να δηλώνει το συνολικό µήκος του πλαισίου σε bytes. Έτσι, καταµετρώντας απλώς τα ληφθέντα bytes, ο παραλήπτης κόµβος θα µπορεί να προσδιορίσει το τέλος του πλαισίου. Η µορφή του πλαισίου DDCMP απεικονίζεται στο Σχήµα 3.2.β. Η αρχή του πλαισίου και η αρχή της επικεφαλίδας δηλώνονται µε τους ειδικούς χαρακτήρες SYN και SOH, αντίστοιχα. Η επικεφαλίδα του πλαισίου έχει µήκος 40 bits, όπου τα 14 πρώτα bits δηλώνουν το µήκος του πλαισίου. Η ληφθείσα επικεφαλίδα ελέγχεται για σφάλµατα µεταφοράς αξιοποιώντας την πληροφορία του πεδίου CRC1. Αυτό το επιπλέον πεδίο ελέγχου είναι απαραίτητο σε τέτοιες τεχνικές πλαισίωσης, λόγω της κρισιµότητας της πληροφορίας που περιέχεται στην επικεφαλίδα. Εάν το πεδίο που περιέχει το µήκος του πλαισίου αλλοιωθεί, τότε ο παραλήπτης κόµβος δε θα µπορέσει να οριοθετήσει το πλαίσιο και, κατά συνέπεια, δε θα µπορέσει να αντλήσει το περιεχόµενό του. Είναι, λοιπόν, χρήσιµο να γνωρίζει εκ των προτέρων ότι δεν µπορεί να προσδιορίσει τα όρια του τρέχοντος πλαισίου και να ανιχνεύει την έναρξη του επόµενου πλαισίου, αγνοώντας όλη τη ενδιάµεση πληροφορία που λαµβάνει. Τέλος, τα δεδοµένα του πλαισίου ελέγχονται ως προς τα σφάλµατα µεταφοράς µέσω του πεδίου CRC2.

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

72

3.1.2 ¶ÚˆÙfiÎÔÏÏ· Ï·ÈÛ›ˆÛ˘ Ì ÔÚÁ¿ÓˆÛË ·Ó¿ bit

Στα πρωτόκολλα αυτής της κατηγορίας το πλαίσιο γίνεται αντιληπτό ως µια ακολουθία από bits και πουθενά δεν έχουµε την οµαδοποίησή τους και το χειρισµό τους ως bytes. Το χαρακτηριστικότερο πρωτόκολλο αυτής της κατηγορίας είναι το HDLC (High – Level Data Link Control), το οποίο ορίστηκε από το ∆ιεθνή Οργανισµό Τυποποίησης (ISO 3309 – 1979) και αποτελεί εξέλιξη του πρωτοκόλλου SDLC (Synchronous Data Link Control) της IBM. Στις µέρες µας χρησιµοποιείται ευρέως µια παραλλαγή του HDLC, που ονοµάζεται PPP (Point – to – Point Protocol). Αυτό το πρωτόκολλο ορίστηκε από την Οµάδα ∆ράσης του ∆ιαδικτύου (Internet Engineering Task Force – IETF) και στην πράξη έχει αναγνωριστεί ως το κύριο πρωτόκολλο πρόσβασης στο ∆ιαδίκτυο µέσω του επιλεγόµενου τηλεφωνικού δικτύου. Η µορφή πλαισίου του πρωτοκόλλου HDLC Η µορφή του πλαισίου HDLC απεικονίζεται στο Σχήµα 3.3. Στην αρχή του πλαισίου υπάρχει ένα πεδίο σηµατοδοσίας, το «Flag», στο οποίο καταχωρίζεται πάντα η ακολουθία bits 01111110. Η ίδια ειδική ακολουθία bits 01111110 δηλώνει επίσης και το τέλος του πλαισίου. Πριν από τα δεδοµένα του πλαισίου τοποθετείται η επικεφαλίδα του και µετά από τα δεδοµένα τοποθετείται το πεδίο CRC, του οποίου η πληροφορία χρησιµοποιείται για τον εντοπισµό των σφαλµάτων µεταφοράς. 8 Flag

16/32 Header

Body

16/32

8

CRC

Flag

™¯‹Ì· 3.3

Η µορφή πλαισίου του πρωτοκόλλου HDLC (οργάνωση ανά bit)

Ένα βασικό πρόβληµα που πρέπει να αντιµετωπίσει αυτό το πρωτόκολλο πλαισίωσης είναι η εµφάνιση της ειδικής ακολουθίας 01111110 µέσα στα δεδοµένα του πλαισίου. Αυτό επιλύεται µε µια τεχνική που ονοµάζεται προσθήκη bit (bit stuffing) και η βασική της ιδέα είναι ανάλογη µε την προσθήκη του ειδικού χαρακτήρα DLE που είδαµε στο πρωτόκολλο BISYNC. Σε αυτή την τεχνική, όταν ο αποστολέας κόµβος µεταδώσει πέντε διαδοχικά 1 από τα δεδοµένα του πλαισίου, τότε προσθέτει ένα 0 πριν µεταδώσει το επόµενο bit. Φυσικά, αυτό δεν εφαρµόζεται στην ειδική ακολουθία που δηλώνει την αρχή και το τέλος του πλαισίου.

3.1 ¶§∞π™πø™∏

73

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 3.2 Έστω ότι ένας κόµβος θέλει να µεταφέρει µέσω του δικτύου τα ακόλουθα δεδοµένα: 011010111111111011110001101011111110110 Αν η εφαρµοζόµενη πλαισίωση είναι η HDLC και υποθέσουµε ότι η επικεφαλίδα και το πεδίο CRC είναι κενά, τότε ποια θα είναι η ακολουθία bits που θα µεταδώσει ο κόµβος στο δίκτυο;

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 3.3 Περιγράψτε τη διαδικασία που εκτελεί ο παραλήπτης κόµβος για την αφαίρεση των επιπρόσθετων bits που προσάρτησε ο αποστολέας κόµβος µε την τεχνική της προσθήκης bit.

3.1.3 ¶ÚˆÙfiÎÔÏÏ· Ï·ÈÛ›ˆÛ˘ ‚·ÛÈṲ̂ӷ Û ηıÔÏÈÎfi ÚÔÏfiÈ

Η τεχνική της προσθήκης bit προσδίδει µια ιδιαιτερότητα στα πλαίσια HDLC: το µήκος τους δεν είναι σταθερό και προκαθορισµένο, αλλά εξαρτάται από τα δεδοµένα που µεταφέρει. Ανάλογα και στα πλαίσια BISYNC, όπου εφαρµόζεται η τεχνική της προσθήκης ειδικού χαρακτήρα. Αντίθετα, το πρωτόκολλο που περιγράφουµε σε αυτή την υποενότητα µας εξασφαλίζει ότι τα πλαίσια έχουν όλα ίσο και σταθερό µέγεθος. Το πρωτόκολλο SDH (Synchronous Digital Hierarchy) παρουσιάστηκε στα τέλη της δεκαετίας του ’80 από τη ∆ιεθνή Ένωση Τηλεπικοινωνιών (International Telecommunication Union, ITU) και αποτελεί πλέον την πιο αποδοτική, αξιόπιστη και οικονοµική πρόταση για τη µετάδοση ψηφιακού σήµατος πάνω από οπτική ίνα. Στις µέρες µας χρησιµοποιείται κυρίως από τους οργανισµούς τηλεπικοινωνιών για την ανάπτυξη δικτύων κορµού. Το SDH αποτελεί εξέλιξη του πρωτοκόλλου SONET (Synchronous Optical Network), που πρωτοπαρουσιάστηκε από την Bell Communications Research (Bellcore) και αργότερα υιοθετήθηκε από το Αµερικανικό Ινστιτούτο Τυποποιήσεων (American National Standards Institute, ANSI) για την ψηφιακή µετάδοση πάνω από οπτική ίνα. Το πρωτόκολλο SONET χρησιµοποιείται στις ΗΠΑ, στον Καναδά και στην Ιαπωνία, ενώ το SDH στην Ευρώπη και στον υπόλοιπο κόσµο. Η µορφή πλαισίου του πρωτοκόλλου SDH Στη σύσταση G.707 της ITU – T ορίζεται η «µονάδα σύγχρονης µεταφοράς» (Synchronous Transport Module), που αναφέρεται συνοπτικά ως STM – 1 και η οποία

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

74

αποτελεί το πλαίσιο µεταφοράς δεδοµένων σε συνδέσµους SDH µε ρυθµό µετάδοσης ίσο µε 155,52 Mbps. Η µορφή του πλαισίου STM – 1 απεικονίζεται στο Σχήµα 3.4. Το πλαίσιο STM – 1 µπορούµε να το θεωρήσουµε ως έναν πίνακα από bytes, µεγέθους 9 γραµµών ¥ 270 στηλών. Η µετάδοσή του γίνεται γραµµή γραµµή, αρχίζοντας από την πάνω αριστερά γωνία και τελειώνοντας στην κάτω δεξιά γωνία. Η µετάδοση του πλαισίου εκτελείται σε 125 µsec, δίνοντας έτσι ένα συνολικό ρυθµό µετάδοσης ίσο µε 9 γραµµές ¥ 270 στήλες ¥ 8 bits/byte ¥ 8000 πλαίσια/sec = 155,52 Mbps. Τα πρώτα 9 bytes από κάθε γραµµή περιέχουν τις αναγκαίες πληροφορίες ελέγχου του πρωτοκόλλου, ενώ τα υπόλοιπα 261 bytes περιέχουν τα δεδοµένα του χρήστη του πρωτοκόλλου SDH. Έτσι, αν παροµοιάσουµε το πλαίσιο µε ένα κιβώτιο µεταφοράς αγαθών, τότε το ωφέλιµο φορτίο του είναι ίσο µε 9 ¥ 261 = 2.349 bytes, ενώ το απόβαρό του, ή αλλιώς η επιβάρυνσή του, είναι ίσο µε 81 bytes. Οι όροι «ωφέλιµο φορτίο» (payload) και «επιβάρυνση» (overhead) χρησιµοποιούνται στο πρωτόκολλο SDH για να δηλώσουν τις αντίστοιχες ποσότητες. Τα πρώτα 6 bytes του πλαισίου περιέχουν µια ειδική ακολουθία από bits, η οποία υποδηλώνει την αρχή του. Το τέλος του πλαισίου είναι, εκ κατασκευής, γνωστό ότι βρίσκεται σε απόσταση ίση µε 2.430 bytes από την αρχή του. Οπότε, η σκιαγράφηση του πλαισίου µπορεί να γίνει εύκολα µε τη χρήση ενός απλού αριθµητή, αρκεί να έχουµε εντοπίσει την αρχή του.

270 στήλες (Bytes) 1

9

™¯‹Ì· 3.4

Η µορφή του πλαισίου STM – 1 Το πλαίσιο STM – 1 αποτελείται από 9 γραµµές των 270 bytes. Σε κάθε γραµµή, τα πρώτα 9 bytes αποτελούν την επιβάρυνση του πρωτοκόλλου και περιέχουν τις αναγκαίες πληροφορίες ελέγχου, ενώ τα υπόλοιπα 261 bytes αποτελούν το ωφέλιµο φορτίο του πλαισίου και περιέχουν τις πληροφορίες του χρήστη.

9 γραµµές

Ωφέλιµο φορτίο (payload) Eπιβάρυνση‚ (overhead)

3.1 ¶§∞π™πø™∏

75

Σε αυτό το σηµείο το πηγαίο ερώτηµα που θα περίµενα να ακούσω είναι το εξής: «Και τι γίνεται εάν η ειδική ακολουθία bits, που δηλώνει την αρχή ενός πλαισίου, εµπεριέχεται στα δεδοµένα του πλαισίου;». Σε αυτό το πρωτόκολλο δεν υπάρχει τεχνική ανάλογη της προσθήκης bit που συναντήσαµε στο HDLC για να µας προστατέψει από το παραπάνω πρόβληµα. Αυτό επιλύεται µε έναν πολύ απλό τρόπο. Ο παραλήπτης κόµβος παρατηρεί συνεχώς τα εισερχόµενα bits και αναµένει να εντοπίσει την ειδική ακολουθία συγχρονισµού µία φορά κάθε 2.430 bytes, όσο είναι δηλαδή το µήκος του πλαισίου. Εάν εντοπίζει την ειδική ακολουθία στο σωστό µέρος αρκετές φορές, τότε ο παραλήπτης κόµβος θεωρεί ότι βρίσκεται σε συγχρονισµό και, κατά συνέπεια, µπορεί µε ακρίβεια να σκιαγραφήσει τα πλαίσια και να επεξεργαστεί τα δεδοµένα τους. Οι ρυθµοί µετάδοσης του SDH Οι τρέχουσες υλοποιήσεις του SDH υποστηρίζουν τη µετάδοση δεδοµένων σε συγκεκριµένους τυποποιηµένους ρυθµούς, οι οποίοι παρουσιάζονται στον Πίνακα 3.1. ¶›Ó·Î·˜ 3.1

Οι υποστηριζόµενοι ρυθµοί µετάδοσης δεδοµένων στις τρέχουσες υλοποιήσεις του SDH και του SONET Ρυθµός µετάδοσης

πλαίσιο SDH

πλαίσιο SONET

155,52 Mbps

STM – 1

STS – 3 ή OC – 3

622,08 Mbps

STM – 4

STS – 12 ή OC – 12

2488,32 Mbps

STM – 16

STS – 48 ή OC – 48

9953,28 Mbps

STM – 64

STS – 192 ή OC – 192

Αυτό που αξίζει να παρατηρήσουµε είναι ότι οι ρυθµοί µετάδοσης είναι ακέραιοι πολλαπλάσιοι του ρυθµού του STM – 1. Σύµφωνα µε το SDH, κάθε πλαίσιο µεταδίδεται σε χρόνο ίσο µε 125 µsec. Κάνοντας τις κατάλληλες αριθµητικές πράξεις, διαπιστώνουµε ότι το πλαίσιο STM – 4 έχει µήκος 9.720 bytes, ποσότητα που είναι ακριβώς τέσσερις φορές µεγαλύτερη από το µήκος του πλαισίου STM – 1. Επίσης, το µήκος των πλαισίων STM – 16 και STM – 64 είναι 16 και 64 φορές µεγαλύτερο από το µήκος του STM – 1, αντίστοιχα. Επειδή τα Ν πλαίσια STM – 1 εφαρµόζουν τέλεια σε ένα πλαίσιο STM – Ν, η πολύπλεξη συνδέσµων χαµηλού ρυθµού µετάδοσης υποστηρίζεται σχετικά εύκολα από το SDH, συγκρινόµενο µε τις παλαιότερες τεχνικές µετάδοσης ψηφιακών δεδοµένων.

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

76

Αυτή η ιδιότητα αποτελεί ένα από τα ισχυρότερα πλεονεκτήµατα του πρωτοκόλλου SDH. ∆ιαισθητικά, µπορούµε να φανταστούµε ότι το πλαίσιο STM – N δηµιουργείται από την οµοιόµορφη παρεµβολή των bytes του κάθε πλαισίου STM – 1, δηλαδή αρχικά µεταδίδεται το πρώτο byte από το πρώτο πλαίσιο, µετά το πρώτο byte από το δεύτερο πλαίσιο, …, το πρώτο byte από το N – οστό πλαίσιο, κατόπιν το δεύτερο byte από το πρώτο πλαίσιο, το δεύτερο byte από το δεύτερο πλαίσιο κ.ο.κ. Στο SONET η µονάδα σύγχρονης µεταφοράς (δηλαδή η αντίστοιχη του STM – 1 του SDH) ονοµάζεται STS – 1 ή OC – 1 (synchronous transport signal ή optical container). Ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων του STS – 1 ισούται µε 51,84 Mbps. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 3.4 Γνωρίζοντας ότι το πλαίσιο SONET µεταδίδεται επίσης σε χρόνο ίσο µε 125 µsec και ότι υπάρχει πλήρης συµβατότητα µεταξύ των πρωτοκόλλων SDH και SONET, µπορείτε να προσδιορίσετε τη µορφή του πλαισίου STS – 1;

Χειρισµός των «εκτός φάσης» δεδοµένων Το πρωτόκολλο SDH χρησιµοποιείται κυρίως από τους τηλεπικοινωνιακούς οργανισµούς για την ανάπτυξη δικτύων κορµού, ο δε συγχρονισµός των κόµβων επιτυγχάνεται µε τη χρήση ενός καθολικού ρολογιού.

1ο πλαίσιο

™¯‹Ì· 3.5

Σχηµατική απεικόνιση του τρόπου χειρισµού των «εκτός φάσης» δεδοµένων Το SDH δίνει τη δυνατότητα έναρξης εγγραφής των δεδοµένων σε αυθαίρετο χρόνο µέσα στο πλαίσιο και συνεπώς τα δεδοµένα µπορεί να καταλαµβάνουν χώρο από δύο συνεχόµενα πλαίσια.

2ο πλαίσιο

3 . 2 ∂ ¡ ∆ √ ¶ π ™ ª √ ™ ™ º ∞ § ª ∞∆ ø ¡

Ας θεωρήσουµε το ακόλουθο σενάριο. Έστω ότι το δίκτυο SDH χρησιµοποιείται από δύο κόµβους του για την ανταλλαγή κινούµενης εικόνας. Ο αποστολέας κόµβος ακολουθεί όλες τις διαδικασίες της στοίβας των δικτυακών πρωτοκόλλων και τα δεδοµένα του πλαισίου SDH είναι έτοιµα προς µετάδοση. Για λόγους απλότητας, έστω ότι το κανάλι επικοινωνίας είναι ένα STM – 1, και έτσι τα δεδοµένα του αποστολέα κόµβου είναι οργανωµένα ανά 2.349 bytes. Ποιος όµως µας έχει εξασφαλίσει ότι η χρονική στιγµή που τα 2.349 bytes είναι διαθέσιµα θα συµπίπτει µε την έναρξη ενός πλαισίου; Για να αποφύγει την απαίτηση συγχρονισµού των τερµατικών συσκευών µε τους εσωτερικούς κόµβους του δικτύου, το SDH επιτρέπει στα δεδοµένα να µην περιορίζονται αυστηρά και µόνο στα όρια ενός πλαισίου, αλλά να υπερχειλίζουν τα όρια δύο συνεχόµενων πλαισίων και να καταλαµβάνουν µέρος από αυτά. Αυτή η υπερχείλιση απεικονίζεται στο Σχήµα 3.5. Τα δεδοµένα µπορούν να αρχίσουν σε αυθαίρετο χρόνο µέσα στο πλαίσιο και αναδιπλώνονται έτσι ώστε να χωρέσουν στο πλάτος του πλαισίου. Το σηµείο έναρξης των δεδοµένων υποδηλώνεται από έναν ειδικό δείκτη που είναι αποθηκευµένος στο χώρο της επιβάρυνσης του πλαισίου. Εκτός από την αποφυγή συγχρονισµού των τερµατικών συσκευών, ένα επιπλέον σηµαντικό πλεονέκτηµα αυτής της δυνατότητας είναι ότι δεν απαιτείται ο συγχρονισµός των καθολικών ρολογιών που χρησιµοποιούνται στους διάφορους τηλεπικοινωνιακούς φορείς κατά τη γεφύρωση των δικτύων τους (…και αυτό ήταν ένα πρόβληµα που είχε απασχολήσει εκτεταµένα τους τηλεπικοινωνιακούς φορείς στις προηγούµενες τεχνολογίες πλαισίωσης). 3.2 ∂ÓÙÔÈÛÌfi˜ ÛÊ·ÏÌ¿ÙˆÓ

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτή την ενότητα, θα µπορείτε να: • περιγράψετε µε αδρές γραµµές τις λειτουργίες που εκτελούν ο αποστολέας και ο παραλήπτης κόµβος για τον εντοπισµό των σφαλµάτων µεταφοράς, • δώσετε τη βασική ιδέα του ελέγχου κυκλικού πλεονασµού (CRC), • προσδιορίσετε τα τέσσερα βήµατα του αλγόριθµου CRC, • αναφέρετε τέσσερις δυνατότητες εντοπισµού σφαλµάτων µεταφοράς που έχουν οι κώδικες CRC.

77

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

78

Για λόγους αξιοπιστίας, το δίκτυο θα πρέπει να είναι εξοπλισµένο µε µηχανισµούς ελέγχου των σφαλµάτων µεταφοράς. Με την ευρεία χρήση των οπτικών ινών τα σφάλµατα µεταφοράς έχουν µειωθεί σηµαντικά σε σχέση µε το παρελθόν, όπου τα δίκτυα αναπτύσσονταν αποκλειστικά µε καλώδια χαλκού και µε ασύρµατες ζεύξεις. ∆εν παύουν όµως να αποτελούν ακόµα ένα σηµαντικό παράγοντα του βαθµού χρηστικότητας ενός συστήµατος. Στα δίκτυα υπολογιστών χρησιµοποιούνται δύο τύποι µηχανισµών ελέγχου: ο εντοπισµός σφαλµάτων και η διόρθωση σφαλµάτων. Και στις δύο περιπτώσεις από τον αποστολέα κόµβο προσθέτονται κάποια επιπλέον bits στο πλαίσιο, τα οποία περιέχουν την κατάλληλη πληροφορία για την αποτελεσµατική διενέργεια του ελέγχου. Στον παραλήπτη κόµβο αναλύονται τα εισερχόµενα δεδοµένα και η επιπρόσθετη πληροφορία ελέγχου και εκτελείται η αντίστοιχη διαδικασία ελέγχου σφαλµάτων. Εάν ο παραλήπτης κόµβος εντοπίσει σφάλµατα στη µεταφορά πλαισίων, τότε µια τυπική ενέργειά του είναι να ζητήσει την επαναµετάδοσή τους από τον αποστολέα, συµµορφούµενοι και οι δύο σε ένα σύνολο κανόνων που ονοµάζεται πρωτόκολλο επανεκποµπής. Με τα πρωτόκολλα επανεκποµπής ασχολούµαστε στο 4ο Κεφάλαιο. Ο χαρακτηριστικότερος, και ο πιο ευρέως χρησιµοποιούµενος, µηχανισµός εντοπισµού σφαλµάτων µεταφοράς είναι ο έλεγχος κυκλικού πλεονασµού (cyclic redundancy check, CRC), ο οποίος παρουσιάζεται σ’ αυτή την ενότητα.

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 3.3 Γνωρίζοντας ότι η διόρθωση σφαλµάτων είναι πιο δαπανηρή από τον εντοπισµό τους, όσον αφορά το µέγεθος της επιπρόσθετης πληροφορίας και την απαιτούµενη επεξεργαστική ισχύ, σε ποιες από τις παρακάτω περιπτώσεις θα επιλέγατε τη διόρθωση αντί της συνδυασµένης δράσης του εντοπισµού και της επανεκποµπής πλαισίων; (α)µεταφορά φωνής και κινούµενης εικόνας από υπηρεσία τηλεδιάσκεψης (β) µεταφορά ιστοσελίδας (γ) µεταφορά µηνύµατος ηλεκτρονικού ταχυδροµείου (δ) µεταφορά σήµατος πυρόσβεσης 3.2.1 ŒÏÂÁ¯Ô˜ ΢ÎÏÈÎÔ‡ ÏÂÔÓ·ÛÌÔ‡

Ένας (…οµολογουµένως ακραίος) τρόπος για να ελέγξουµε την ορθότητα ενός ληφθέντος πλαισίου είναι µε την αποστολή δύο αντιγράφων του εξαρχής. Ο παρα-

3 . 2 ∂ ¡ ∆ √ ¶ π ™ ª √ ™ ™ º ∞ § ª ∞∆ ø ¡

79

λήπτης κόµβος ελέγχει τα ληφθέντα αντίγραφα και, εάν είναι ίδια, τότε θεωρεί ότι δεν έχουν υποστεί αλλοίωση και προωθεί ένα αντίγραφο για περαιτέρω επεξεργασία. Εάν διαφέρουν, τότε διαπιστώνει ότι συνέβη σφάλµα κατά τη µεταφορά πλαισίου και ζητά την επανεκποµπή τους. Όµως αυτός ο τρόπος δεν είναι ιδιαίτερα αποδοτικός. Συγκεκριµένα, για κάθε πληροφορία n bits µεταδίδουµε n επιπρόσθετα bits ως πληροφορία ελέγχου. Το επιθυµητό θα ήταν να στέλναµε k επιπρόσθετα bits, µε k << n. Αυτό ικανοποιείται στον έλεγχο κυκλικού πλεονασµού (cyclic redundancy check, CRC). Για παράδειγµα, τα πλαίσια του πρωτοκόλλου τοπικού δικτύου Ethernet εµπεριέχουν µέχρι 12.000 bits δεδοµένων (1.500 bytes), ενώ ελέγχονται µε έναν κώδικα CRC µήκους 32 bits. Μια γενική περιγραφή Η βασική ιδέα του ελέγχου κυκλικού πλεονασµού είναι πολύ απλή στη σύλληψη, υποστηρίζεται δε από ένα πλήθος µαθηµατικών αποδείξεων, τις οποίες αποφεύγουµε να παρουσιάσουµε στην ύλη αυτού του βιβλίου. Για λεπτοµέρειες επί της τεχνικής CRC ο χρήστης παραπέµπεται στο βιβλίο του Blahut (1983). Τα δεδοµένα ενός πλαισίου διαιρούνται από µια προκαθορισµένη ακολουθία bits, η οποία είναι γνωστή τόσο στον αποστολέα όσο και στον παραλήπτη κόµβο. Από τη διαίρεση αυτή προκύπτει ένα πηλίκο και ένα υπόλοιπο. Το πηλίκο το αγνοούµε και προσαρτούµε το υπόλοιπο της διαίρεσης στο τέλος του πλαισίου ως τη συµπληρωµατική πληροφορία ελέγχου για τον εντοπισµό σφαλµάτων. Ο παραλήπτης κόµβος, όταν λάβει από το δίκτυο ένα πλαίσιο, διαιρεί την εισερχόµενη ακολουθία (δεδοµένα και πληροφορία εντοπισµού σφαλµάτων) µε τη γνωστή ακολουθία bits, και προκύπτει εκ νέου ένα υπόλοιπο. Εάν αυτό το υπόλοιπο είναι µη µηδενικό, τότε ο παραλήπτης αντιλαµβάνεται την ύπαρξη σφάλµατος κατά τη µεταφορά. Συνοπτική παρουσίαση του αλγόριθµου CRC Αρχικά θα πρέπει να σκεφτόµαστε οποιαδήποτε ακολουθία n – bits ως ένα πολυώνυµο n – 1 βαθµού. Ο συντελεστής του κάθε όρου του πολυωνύµου λαµβάνει την τιµή του αντίστοιχου bit της ακολουθίας. Για παράδειγµα, η ακολουθία 1001110101 αντιστοιχεί στο πολυώνυµο. M(x) = x9 + x6 + x5 + x4 +x2 + 1. Τόσο στον αποστολέα κόµβο όσο και στον παραλήπτη είναι γνωστή εκ των προτέρων µια ειδική ακολουθία, η οποία ονοµάζεται πολυώνυµο γεννήτορας και συµβολί-

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

80

ζεται µε G(x). Ο αλγόριθµος CRC συνοψίζεται στα ακόλουθα βήµατα: Αποστολέας κόµβος: 1. Πολλαπλασίασε το M(x) µε το xk, όπου k είναι ο βαθµός του προκαθορισµένου πολυωνύµου G(x). Αυτό ουσιαστικά αντιστοιχεί σε αύξηση του µήκους των δεδοµένων κατά k bits, µε αριστερή ολίσθηση κατά k των αρχικών bits και ταυτόχρονη πλήρωση των κενών θέσεων µε µηδενικά. 2. ∆ιαίρεσε το M(x) ◊ xk µε το G(x). Από αυτή τη διαίρεση προκύπτουν το πηλίκο Q(x) και το υπόλοιπο R(x). 3. Σύνθεσε το µήνυµα T(x), το οποίο θα αποστείλεις στο δίκτυο προς µεταφορά, όπου T(x) = M(x) ◊ xk + R(x). Παραλήπτης κόµβος: 4. ∆ιαίρεσε το ληφθέν µήνυµα T¢(x) µε το G(x). Από αυτή τη διαίρεση προκύπτουν το πηλίκο Q¢(x) και το υπόλοιπο R¢(x). Εάν R¢(x) = 0, τότε δεν υπάρχει σφάλµα µεταφοράς.

1 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 0 0 0 G(x)

M(x)◊xk

1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 0 ‚ 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 ‚ 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 ‚ 1 1 0 1 0 1

™¯‹Ì· 3.6

Σχηµατική απεικόνιση του τρόπου υπολογισµού του υπολοίπου της διαίρεσης των δεδοµένων διά του πολυώνυµου γεννήτορα για το Παράδειγµα 3.1

1 1 0 0 1 1 ‚ 1 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 0 ‚ 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 0

R(x)

3 . 2 ∂ ¡ ∆ √ ¶ π ™ ª √ ™ ™ º ∞ § ª ∞∆ ø ¡

¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 3.1 Έστω ότι το πολυώνυµο γεννήτορας αντιστοιχεί στην ακολουθία 110101, δηλαδή είναι βαθµού k = 5. Τότε η εφαρµογή του αλγόριθµου CRC επί των δεδοµένων 1001110101 θα µας δώσει τα ακόλουθα βήµατα: 1. M(x) ◊ xk Æ 100111010100000 2. Η διαίρεση του M(x) ◊ xk µε το G(x) απεικονίζεται στο Σχήµα 3.6. Υπενθυµίζουµε ότι το υπόλοιπο της διαίρεσης δύο οµοιόβαθµων πολυώνυµων αντιστοιχεί µε το αποτέλεσµα της πράξης του «αποκλειστικού–Ή» (exclusive – OR, XOR) επί των αντίστοιχων ακολουθιών bits. Το υπόλοιπο της διαίρεσης είναι το 10100. 3. T(x) Æ 100111010110100 4. Είναι εύκολο να δείξετε ότι, εάν δεν υπάρχει σφάλµα µεταφοράς, τότε το υπόλοιπο της διαίρεσης της εισερχόµενης ακολουθίας µε το πολυώνυµο γεννήτορα θα ισούται µε 0. Επίσης, έστω ότι η µεταφερόµενη ακολουθία αλλοιώνεται στο δεύτερό της bit, και έτσι η λαµβανόµενη ακολουθία είναι η 110111010110100. Τότε, το υπόλοιπο της διαίρεσης θα ισούται µε 1101, γεγονός που υποδηλώνει την ύπαρξη σφάλµατος µεταφοράς. ∆υνατότητες εντοπισµού σφαλµάτων Αν θεωρήσουµε ότι στη µεταφερόµενη ακολουθία bits T ¢(x) προστίθεται ο θόρυβος E(x), τότε ο παραλήπτης θα λάβει την ακολουθία T ¢(x) = T(x) + E(x) . Κανείς δεν µπορεί να αποκλείσει την περίπτωση η µορφή του θορύβου να είναι τέτοια έτσι ώστε η λαµβανόµενη ακολουθία να διαιρείται ακριβώς από το πολυώνυµο γεννήτορας. Σε αυτή την περίπτωση όµως ο παραλήπτης θα βγάλει το (…λανθασµένο) συµπέρασµα ότι στη ληφθείσα ακολουθία δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς. Η επιλογή του πολυώνυµου γεννήτορα είναι λοιπόν κρίσιµος παράγοντας στον έλεγχο κυκλικού πλεονασµού. Τα κριτήρια επιλογής του πολυωνύµου είναι αρκετά τεχνικά και σύνθετα και υποστηρίζονται από πολύπλοκα µαθηµατικά αποτελέσµατα. Στην πράξη έχουν επικρατήσει να χρησιµοποιούνται τα πολυώνυµα του Πίνακα 3.2. Για παράδειγµα, το CRC – ITU – T χρησιµοποιείται στο πρωτόκολλο HDLC, το CRC – 32 στο πρωτόκολλο τοπικών δικτύων Ethernet και στο πρωτόκολλο µητροπολιτικών δικτύων FDDI, ενώ τα CRC – 8 και CRC – 10 χρησιµοποιούνται στο σύγχρονο πρωτόκολλο ATM.

81

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

82

¶›Ó·Î·˜ 3.2

Τα πιο συχνά χρησιµοποιούµενα πολυώνυµα γεννήτορες του αλγόριθµου CRC G(x)

∆ιακριτικός τίτλος CRC – 8

x8 + x2 + x +1

CRC – 10

x10 + x9 + x5 + x4 + x + 1

CRC – ITU – T

x16 + x12 + x5 + 1

CRC – 32

x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 + x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + + x4 + x2 + x + 1

Σε γενικές γραµµές, µπορεί να αποδειχθεί ότι οι κώδικες CRC µήκους k bits έχουν τις ακόλουθες δυνατότητες εντοπισµού σφαλµάτων µεταφοράς: • Όλα τα σφάλµατα µονού bit, αρκεί οι όροι xk και x0 να έχουν µη µηδενικούς συντελεστές. • Όλα τα σφάλµατα διπλού bit, αρκεί το πολυώνυµο να περιέχει τρεις τουλάχιστον όρους. • Όλα τα σφάλµατα περιττού πλήθους, αρκεί το πολυώνυµο να περιέχει τον όρο (x + 1). • Όλα τα σφάλµατα σε δέσµη bits µε µήκος µικρότερο από k bits, όπου ως δέσµη ονοµάζουµε ένα πλήθος από διαδοχικά bits. Επίσης, εντοπίζονται τα περισσότερα από τα σφάλµατα µεταφοράς σε δέσµες µε µήκος µεγαλύτερο από k bits. Τελειώνοντας, θα θέλαµε να παρατηρήσουµε ότι η υλοποίηση του αλγόριθµου CRC είναι απλή και οικονοµική, καθώς απαιτεί µόνο λίγους καταχωρητές ολίσθησης και µερικές πύλες XOR, και αυτός είναι ένας από τους κύριους λόγους που ο έλεγχος κυκλικού πλεονασµού έχει χρησιµοποιηθεί σε τόσο ευρεία κλίµακα στα δίκτυα υπολογιστών. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 3.5 Έστω ότι θέλετε να µεταφέρετε τα δεδοµένα 11010011010011110101 και θέλετε να τα προστατέψετε από τα σφάλµατα µεταφοράς εφαρµόζοντας τον αλγόριθµο CRC µε πολυώνυµο γεννήτορα το CRC – 8. (α)Ποιο είναι το µήνυµα που θα αποστείλετε στο δίκτυο; (β) Εάν αλλοιωθούν κατά τη µεταφορά το δεύτερο, το τέταρτο και το ενδέκατο bit του µηνύµατος, ποιο θα είναι το υπόλοιπο της διαίρεσης του µηνύµατος µε το πολυώνυµο γεννήτορα στον παραλήπτη; Πώς θα εξακριβώσει ο παραλήπτης τα σφάλµατα µεταφοράς;

3 . 3 ¢ π √ ƒ £ ø ™ ∏ ™ º ∞ § ª ∞∆ ø ¡

3.3 ¢ÈfiÚıˆÛË ÛÊ·ÏÌ¿ÙˆÓ

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτή την ενότητα, θα µπορείτε να: • δώσετε τον ορισµό του συστηµατικού γραµµικού κώδικα δέσµης (n, k), • ορίσετε την απόσταση Hamming µεταξύ δύο κωδικών λέξεων και να δώσετε τη φυσική ερµηνεία του, • προσδιορίσετε τις δυνατότητες διόρθωσης σφαλµάτων ενός γραµµικού κώδικα δέσµης, • περιγράψετε µε αδρές γραµµές πώς δηµιουργείται ένας συστηµατικός κώδικας δέσµης, • αναφέρετε τη διαδικασία κατάστρωσης του Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης ενός κώδικα και το πώς µπορεί αυτός να χρησιµοποιηθεί στη διόρθωση των σφαλµάτων µεταφοράς. Για τις υπηρεσίες πραγµατικού χρόνου, η επιθυµητή µέθοδος αντιµετώπισης των σφαλµάτων µεταφοράς είναι η αυτόµατη διόρθωση των σφαλµάτων κατά την άφιξη των πλαισίων στον παραλήπτη κόµβο. Επίσης, αυτό ισχύει και για τις υπηρεσίες που αναπτύσσονται πάνω από µονόδροµα κανάλια επικοινωνίας, αλλά και για τις υπηρεσίες µε πολλαπλούς παραλήπτες. Αυτό επιτυγχάνεται µε τους κώδικες διόρθωσης σφαλµάτων. Οι κώδικες διόρθωσης σφαλµάτων (Error Correction Codes, ECC) διαιρούνται συχνά σε δύο µεγάλες κατηγορίες: στους κώδικες δέσµης (block codes) και στους συνελικτικούς κώδικες (convolutional codes) (βλέπε Σχήµα 3.7). Οι πιο συχνά χρησιµοποιούµενοι είναι οι κώδικες BCH (Bose – Chauduri – Hocquenghem), και ειδικότερα οι κώδικες Reed – Solomon, οι οποίοι συναντώνται πλέον στις συσκευές ανάγνωσης CD, στις µονάδες αποθήκευσης δεδοµένων Η/Υ, στα κινητά τηλέφωνα, στην ψηφιακή τηλεόραση κ.ά. Οι κώδικες BCH είναι µια υποκατηγορία των γραµµικών κωδίκων δέσµης.

83

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

84

Kώδικες διόρθωσης σφαλµάτων Συνελικτικοί Kώδικες

Kώδικες δέσµης Γραµµικοί

µη γραµµικοί µη κυκλικοί ™¯‹Ì· 3.7

Kυκλικοί BCH

Golay

Μια κατηγοριοποίηση των κωδίκων διόρθωσης σφαλµάτων

Reed - Solomon

Binary BCH

Σε αυτή την ενότητα παρουσιάζουµε τους γραµµικούς κώδικες δέσµης, και συγκεκριµένα περιγράφουµε συνοπτικά τα χαρακτηριστικά τους και τις ιδιότητές τους, αποκρύπτοντας, όπου είναι δυνατόν, τη µαθηµατική λεπτοµέρεια. Για περαιτέρω µελέτη ο αναγνώστης παραπέµπεται στα βιβλία των Clark και Cain (1981) και του Wicker (1994). 3.3.1 °Ú·ÌÌÈÎÔ› ÎÒ‰ÈΘ ‰¤ÛÌ˘

Στο Σχήµα 3.8 απεικονίζεται µια γενική µορφή του κωδικοποιητή δέσµης. Σύµφωνα µε αυτό, κάθε ακολουθία δεδοµένων µήκους k bits κωδικοποιείται σε µια ακολουθία από n > k bits, µε την προσθήκη n – k bits ελέγχου. Οι τιµές των επιπρόσθετων bits ελέγχου προκύπτουν από τις τιµές των k bits δεδοµένων και µόνο.

™¯‹Ì· 3.8

ακολουθία δεδοµένων‚ (k bits)

κωδική λέξη‚ (n bits)

Kωδικοποιητής< δέσµης

Ο συστηµατικός κώδικας δέσµης (n, k) Η κωδική λέξη (µήκους n bits) δηµιουργείται από την αλληλουχία της αρχικής ακολουθίας δεδοµένων (µήκους k bits) µε µια ακολουθία από bits ελέγχου. Οι τιµές των bits ελέγχου εξαρτώνται µόνο από τις τιµές των bits δεδοµένων.

k

n-k

ακολουθία δεδοµένων

πληροφορία ελέγχου n

Η ακολουθία από τα n bits που προκύπτει από αυτή την κωδικοποίηση ονοµάζεται κωδική λέξη (codeword). Το σύνολο των 2k διαφορετικών κωδικών λέξεων ονοµά-

3 . 3 ¢ π √ ƒ £ ø ™ ∏ ™ º ∞ § ª ∞∆ ø ¡

85

ζεται σύστηµα κωδικοποίησης ή κώδικας δέσµης (n, k). Εδώ θα πρέπει να τονίσουµε το γεγονός ότι, ενώ υπάρχουν 2n διαφορετικά στοιχεία µήκους n bits, έγκυρα στοιχεία του κώδικα είναι µόνο τα 2k από αυτά. Εάν τα k bits ελέγχου προστίθενται στο τέλος της ακολουθίας δεδοµένων (δηλαδή δεν παρεµβάλλονται ανάµεσά τους), τότε ο κώδικας ονοµάζεται συστηµατικός. Επιπλέον, εάν οποιαδήποτε από τις 2k κωδικές λέξεις µπορεί να γραφεί ως ένας γραµµικός συνδυασµός από ανεξάρτητες κωδικές λέξεις, τότε ο κώδικας ονοµάζεται γραµµικός. ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 3.2 Έστω ότι τα δεδοµένα του πλαισίου είναι ένας από τους χαρακτήρες {α, β, γ, δ}. Έτσι, η ακολουθία δεδοµένων έχει µήκος k = 2 bits. Ένας κώδικας δέσµης (5, 2) παρουσιάζεται στον Πίνακα 3.3. ¶›Ó·Î·˜ 3.3

Ένας συστηµατικός γραµµικός κώδικας δέσµης (5, 2) ∆εδοµένα

∆υαδική αναπαράσταση δεδοµένων

Κωδική λέξη

α

00

00000

β

01

01101

γ

10

10011

δ

11

11110

Από τις 25 = 32 διαφορετικές ακολουθίες µήκους 5 bits που υπάρχουν, έγκυρες κωδικές λέξεις είναι µόνο οι 4 από αυτές. Επειδή η ακολουθία των δεδοµένων εµφανίζεται στις πρώτες δύο θέσεις της αντίστοιχης κωδικής λέξης της, ο κώδικας του Πίνακα 3.3 είναι συστηµατικός. Επίσης, οποιαδήποτε κωδική λέξη µπορεί να γραφεί ως γραµµικός συνδυασµός άλλων κωδικών λέξεων. Υπενθυµίζουµε ότι οι προσθέσεις στις ακολουθίες bits γίνονται modulo – 2, δηλαδή ο τελεστής είναι το «αποκλειστικό – Ή» (XOR). Για παράδειγµα, είναι εύκολο να δείξετε ότι γ = β ≈ δ. Έτσι, ο κώδικας του Πίνακα 3.3 είναι ένας συστηµατικός γραµµικός πίνακας δέσµης (5, 2). 3.3.2 ¢˘Ó·ÙfiÙËÙ˜ ‰ÈfiÚıˆÛ˘ ÛÊ·ÏÌ¿ÙˆÓ

Πριν προχωρήσουµε στην παρουσίαση της ιδιότητας διόρθωσης σφαλµάτων που έχουν οι γραµµικοί κώδικες δέσµης, θα πρέπει να δώσουµε µερικούς απαραίτητους ορισµούς.

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

86

Ορισµός 3.1: Η απόσταση Hamming µεταξύ δύο κωδικών λέξεων Ως απόσταση Hamming µεταξύ δύο κωδικών λέξεων ορίζεται το πλήθος των bits στα οποία διαφέρουν. Η φυσική ερµηνεία αυτής της απόστασης είναι σηµαντική, καθώς απεικονίζει το πόσο εύκολο ή δύσκολο είναι το να αλλοιωθεί µια κωδική λέξη και να µετατραπεί σε µια άλλη κωδική λέξη. Ορισµός 3.2: Το βάρος µιας κωδικής λέξης Ως βάρος µιας κωδικής λέξης ορίζεται το πλήθος των bits µε τιµή 1 που περιέχει. ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 3.3 Υπολογίστε την απόσταση Hamming µεταξύ των κωδικών λέξεων 10011 και 11110 και βρείτε το µικρότερο από τα βάρη τους. Οι δύο κωδικές λέξεις 10011 και 11110 έχουν απόσταση Hamming ίση µε 3, καθώς διαφέρουν στο 2ο, στο 3ο και στο 5ο bit. Αυτό σηµαίνει ότι, για να µετατραπεί η ακολουθία 10011 στην ακολουθία 11110 από σφάλµατα µεταφοράς, θα πρέπει να υποστούν αλλοίωση και τα τρία προαναφερόµενα bits ταυτόχρονα. Επίσης, το βάρος της κωδικής λέξης 10011 είναι 3, ενώ της λέξης 11110 είναι 4, καθώς περιέχουν τρεις και τέσσερις «άσσους», αντίστοιχα. Οπότε, το µικρότερο βάρος τους είναι 3. Στη συνέχεια παρατίθενται δύο θεωρήµατα χωρίς απόδειξη. Για την απόδειξη αυτών των θεωρηµάτων ο αναγνώστης παραπέµπεται στο βιβλίο του Shanmugam (1979), σελ. 454. Θεώρηµα 3.1: Η ελάχιστη απόσταση Hamming ενός γραµµικού κώδικα δέσµης ισούται µε το ελάχιστο βάρος των µη µηδενικών λέξεων του κώδικα. µπορεί να διορθώσει µέχρι e(dmin – 1)/2u σφάλµατα µεταφοράς σε κάθε κωδική λέξη,

Θεώρηµα 3.2: Ένας γραµµικός κώδικας δέσµης µε ελάχιστη απόσταση Hamming dmin

όπου µε exu δηλώνουµε το µεγαλύτερο ακέραιο που δεν υπερβαίνει το x. Επίσης, µπορεί να ανιχνεύσει µέχρι dmin – 1 σφάλµατα µεταφοράς σε κάθε κωδική λέξη. Από το θεώρηµα 3.2 γίνεται φανερό ότι, µε δεδοµένα τα n και k, η κατάστρωση του γραµµικού κώδικα δέσµης (n, k) θα πρέπει να γίνεται µε στόχο τη µεγιστοποίηση του dmin. ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 3.4 Πόσα σφάλµατα µεταφοράς µπορεί να διορθώσει σε κάθε λαµβανόµενη λέξη ο κώδι-

3 . 3 ¢ π √ ƒ £ ø ™ ∏ ™ º ∞ § ª ∞∆ ø ¡

87

κας του Πίνακα 3.3; Πόσα µπορεί να ανιχνεύσει; Τα βάρη των µη µηδενικών λέξεων του κώδικα (β, γ και δ) είναι 3, 3 και 4, αντίστοιχα. Κατά συνέπεια, η ελάχιστη απόσταση Hamming του κώδικα είναι dmin = 3. βανόµενη λέξη ο κώδικας ισούται µε e(dmin – 1)/2u = e(3 – 1)/2u = 1 . ∆ηλαδή, εάν Έτσι, το πλήθος των σφαλµάτων µεταφοράς που µπορεί να διορθώσει σε κάθε λαµ-

αλλοιωθεί ένα bit κατά τη µεταφορά, τότε ο παραλήπτης µπορεί να το εντοπίσει και να το διορθώσει αντιστρέφοντας την τιµή του. Αντίστοιχα, µπορεί να ανιχνεύσει σφάλµατα µεταφοράς σε dmin – 1 = 2 bits, χωρίς να µπορεί όµως να εντοπίσει ποια είναι τα αλλοιωµένα bits έτσι ώστε να τα διορθώσει. ∆ύο είναι τα βασικά ερωτήµατα που πρέπει να έχουν δηµιουργηθεί σε αυτό το σηµείο: (α) Πώς δηµιουργείται ο κώδικας, δηλαδή πώς υπολογίζονται οι τιµές των bits ελέγχου από τα δεδοµένα του πλαισίου; και (β) Πώς εντοπίζονται τα αλλοιωµένα bits στον παραλήπτη κόµβο; ∆ίνοντας τις απαντήσεις σε αυτά τα δύο ερωτήµατα, θα έχουµε κατανοήσει τις βασικές αρχές λειτουργίας των γραµµικών κωδίκων δέσµης. 3.3.3 ∏ ÏÂÈÙÔ˘ÚÁ›· Ù˘ Έ‰ÈÎÔÔ›ËÛ˘

Η λειτουργία της κωδικοποίησης στους συστηµατικούς κώδικες δέσµης απεικονίζεται στο Σχήµα 3.8. Κάθε ακολουθία δεδοµένων µήκους k bits µετασχηµατίζεται σε κωδική λέξη µήκους n bits. Την αρχική ακολουθία δεδοµένων τη συµβολίζουµε µε το διάνυσµα D = (d1, d2, …, dk), όπου το di, i = 1, 2 …, k, έχει τιµή 0 ή 1. Την κωδική λέξη που παράγεται από τον κωδικοποιητή δέσµης τη συµβολίζουµε µε το διάνυσµα C = (c1, c2, …, cn). Στους συστηµατικούς κώδικες ισχύει ότι ci = di, i = 1, 2, …, k.

(3.1)

Τα επιπρόσθετα n – k bits ελέγχου παράγονται µε γραµµικούς συνδυασµούς των bits δεδοµένων, δηλαδή ck +1 = p11d1 ≈ p21d2 ≈ L ≈ pk1d k

ck + 2 = p12 d1 ≈ p22 d2 ≈ L ≈ pk 2 d k M cn = p1, n - k d1 ≈ p2 , n - k d2 ≈ L ≈ pk , n - k d k

(3.2)

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

88

Οι συντελεστές pij στις εξισώσεις (3.2) έχουν τιµές 0 ή 1, οι δε πράξεις πρόσθεσης γίνονται modulo – 2, δηλαδή ο τελεστής των εξισώσεων (3.2) είναι το XOR. Έτσι, τα λαµβανόµενα ci , i = k + 1, …, n, έχουν και αυτά τιµές 0 ή 1. Χρησιµοποιώντας συµβολισµό πινάκων, µπορούµε να ξαναγράψουµε τις εξισώσεις (3.1) και (3.2) ως εξής C1 ¥ n = D1 ¥ k Gk ¥ n

(3.3)

όπου ο k ¥ n πίνακας G ονοµάζεται γεννήτορας πίνακας του κώδικα και έχει τη µορφή

[

G = I k Pk ¥ n - k

]

k ¥n

È1000K0 Í 0100K0 =Í Í M Í ÍÎ 0000K1

p11 p21 M

p12 p22 M

pk1

pk 2

L p1, n - k ˘ ˙ L p2 , n - k ˙ M ˙ ˙ L pk , n - k ˙˚

(3.4)

¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 3.5 Είναι εύκολο να δείξετε ότι από τον 2 ¥ 5 γεννήτορα πίνακα È1 0 0 1 1˘ Í ˙ Î0 1 1 0 1 ˚ προκύπτει ο συστηµατικός γραµµικός κώδικας δέσµης (5, 2) του Πίνακα 3.3. Έτσι λοιπόν, εάν γνωρίζουµε το γεννήτορα πίνακα ενός κώδικα, η εφαρµογή του είναι σχετικά απλή. Η υλοποίηση του αντίστοιχου κωδικοποιητή δέσµης απαιτεί απλώς µερικούς ολισθητές και µερικούς αθροιστές modulo – 2. Στο ερώτηµα «πώς γνωρίζουµε το γεννήτορα πίνακα», η απάντηση δεν είναι άλλη από την «βρίσκοντάς τον σε ένα βιβλίο». Σηµαντική ερευνητική προσπάθεια στη θεωρία κωδίκων έχει επικεντρωθεί στη διαδικασία κατάστρωσης γεννήτορα πίνακα µε επιθυµητές ιδιότητες στη διόρθωση σφαλµάτων, καλή µαθηµατική δοµή και απλότητα στην υλοποίηση, και, από όσα γνωρίζουµε, κάποιος συστηµατικός τρόπος κατάστρωσης του γεννήτορα πίνακα δεν είναι διαθέσιµος. Η παρουσίαση των διαδικασιών κατάστρωσης γεννήτορα πίνακα είναι έξω από τους σκοπούς αυτού του βιβλίου και ο αναγνώστης παραπέµπεται στα βιβλία των Clark και Cain (1981) και του Wicker (1994). 3.3.4 ¢ÈfiÚıˆÛË ÛÊ·ÏÌ¿ÙˆÓ Ì ¶›Ó·Î· ∆˘È΋˜ ¢È¿Ù·Í˘

Εάν δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς, τότε η ακολουθία bits που λαµβάνει ο παραλήπτης κόµβος είναι µια έγκυρη κωδική λέξη. Στην αντίθετη περίπτωση, ο αποκωδικοποιητής θα πρέπει να διορθώσει το αντίστοιχο σφάλµα µεταφοράς. Ένας τρό-

3 . 3 ¢ π √ ƒ £ ø ™ ∏ ™ º ∞ § ª ∞∆ ø ¡

89

πος για να γίνει αυτό είναι να αντιστοιχίσουµε µοναδικά την εισερχόµενη ακολουθία σε µια έγκυρη κωδική λέξη. Ας θεωρήσουµε το διανυσµατικό χώρο όλων των n – άδων. Το πλήθος των στοιχείων του χώρου είναι 2n. Από αυτά τα στοιχεία έγκυρες κωδικές λέξεις είναι τα 2k από αυτά. Το ζητούµενο είναι να διαµοιράσουµε τα 2n στοιχεία σε 2k µη επικαλυπτόµενους υποχώρους (οµάδες), τις οποίες συµβολίζουµε µε Ti, i = 1, …, 2k. Η έγκυρη κωδική λέξη Ci, i = 1, …, 2k, ανήκει, εκ κατασκευής, στην οµάδα Ti. Όταν ο παραλήπτης κόµβος λαµβάνει ένα πλαίσιο R και R Œ Ti, i = 1, …, 2k τότε προωθεί προς επεξεργασία την αντίστοιχη έγκυρη κωδική λέξη Ci. Εάν συµβολίσουµε µε E το διάνυσµα του σφάλµατος µεταφοράς, το οποίο συνήθως καλείται ίχνος σφάλµατος (error pattern), τότε η λαµβανόµενη ακολουθία bits στον παραλήπτη κόµβο θα δίνεται από τη σχέση R = Ci ≈ E, όπου Ci, i = 1, 2, …, 2k, είναι η έγκυρη κωδική λέξη που µετέδωσε ο αποστολέας κόµβος. Για παράδειγµα, εάν η µεταδιδόµενη κωδική λέξη είναι η 01101 και συνέβη σφάλµα στο δεύτερο bit κατά τη µεταφορά, τότε το ίχνος σφάλµατος είναι το 01000 και η λαµβανόµενη ακολουθία είναι η 01101 ≈ 01000 = 00101. Εάν Ci ≈ Ε Œ Ti, τότε ο αποκωδικοποιητής έχει διορθώσει το σφάλµα µεταφοράς. Αντίστοιχα, εάν Ci ≈ Ε œ Ti, τότε η αποκωδικοποίηση είναι εσφαλµένη. Κατάστρωση του Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης Ένας συστηµατικός τρόπος για την εύρεση των στοιχείων των οµάδων Ti, i = 1, …, 2k, είναι µε την κατάστρωση του Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης για το γραµµικό κώδικα δέσµης (n, k). Η µορφή αυτού του πίνακα απεικονίζεται στο Σχήµα 3.9. Στην πρώτη γραµµή του Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης τοποθετούµε τις έγκυρες λέξεις του κώδικα, φροντίζοντας στην πρώτη στήλη να βάλουµε τη µηδενική λέξη. Από τα υπόλοιπα 2n – 2k στοιχεία του χώρου των n – άδων επιλέγουµε ένα στοιχείο, το οποίο συµβολίζουµε µε E2. Τα υπόλοιπα στοιχεία της δεύτερης γραµµής του πίνακα προκύπτουν από την πρόσθεση του E2 µε την έγκυρη κωδική λέξη που βρίσκεται στην κορυφή της αντίστοιχης στήλης. Κατόπιν επιλέγουµε το στοιχείο – οδηγό της τρίτης γραµµής E3 από τις εναποµείνασες 2n – 2k + 1 n – άδες και συµπληρώνουµε την τρίτη γραµµή. Αυτή η διαδικασία εκτελείται µέχρις ότου εξαντληθούν όλες οι n – άδες, δηλαδή µέχρι να συµπληρωθεί και η 2n – k γραµµή του πίνακα.

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

90

C2k‚

E2‚

C2 ≈ E2‚

C3 ≈ E2‚

...‚

C2k ≈ E2‚

E3‚

C2 ≈ E3‚

C3 ≈ E3‚

...‚

C2k ≈ E3‚

‚

E2n-k‚ ‚ ‚ ‚ ‚ διορθώσιµο‚ ίχνος σφάλµατος

‚

C2 ≈ E2n-k

‚

‚

...

...‚

...

C3‚

...

C2‚

...

C1‚

C3 ≈ E2n-k†

...

C2k ≈ E2n-k

κωδική λέξη

‚

‚ T3

™¯‹Ì· 3.9

Η µορφή του Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης για ένα γραµµικό κώδικα δέσµης (n, k)

Εάν το ίχνος σφάλµατος που εισάγει το κανάλι µεταφοράς ταυτίζεται µε έναν από τους οδηγούς των γραµµών του Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης (E2, E3, …, E2n–k), τότε η αποκωδικοποίηση µπορεί να διορθώσει µε επιτυχία τα σφάλµατα µεταφοράς. Γι’ αυτό το λόγο τα στοιχεία της πρώτης στήλης του Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης καλούνται και διορθώσιµα ίχνη σφάλµατος. Κατά συνέπεια, η επιλογή των οδηγών των γραµµών είναι κρίσιµος παράγοντας στην ορθότητα της αποκωδικοποίησης. Για παράδειγµα, έστω δύο ίχνη σφάλµατος, τα E και E¢, µε πιθανότητες εµφάνισης P[E] και P[E¢], αντίστοιχα, και P[E] < P[E¢]. Επιλέγοντας ως οδηγό γραµµής το ίχνος E, η πιθανότητα εσφαλµένης αποκωδικοποίησης είναι µεγαλύτερη από την αντίστοιχη πιθανότητα που θα είχαµε εάν επιλέγαµε ως οδηγό γραµµής το ίχνος E¢. Αν θεωρήσουµε ότι τα γεγονότα αλλοίωσης της τιµής των bits στη µεταφερόµενη πληροφορία είναι ανεξάρτητες και ισόνοµες τυχαίες µεταβλητές, τότε ένας κανόνας επιλογής του οδηγού γραµµής από τα διαθέσιµα διανύσµατα είναι ο εξής: «επίλεξε το διάνυσµα µε το ελάχιστο βάρος». ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 3.6 Καταστρώστε τον Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης του συστηµατικού γραµµικού κώδικα δέσµης (5, 2) που απεικονίζεται στον Πίνακα 3.3. Ο Πίνακας Τυπικής ∆ιάταξης αυτού του κώδικα δίδεται στον Πίνακα 3.4. Τα 25 = 32

3 . 3 ¢ π √ ƒ £ ø ™ ∏ ™ º ∞ § ª ∞∆ ø ¡

91

στοιχεία του χώρου των 5 – άδων τα διαµοιράζουµε σε 22 = 4 οµάδες των 25 – 2 = 8 στοιχείων. Η πρώτη γραµµή περιέχει τις έγκυρες κωδικές λέξεις. Για να καταστρώσουµε τη δεύτερη γραµµή, επιλέγουµε από τα διαθέσιµα διανύσµατα αυτό µε το ελάχιστο βάρος. Συγκεκριµένα, είναι διαθέσιµα πέντε διανύσµατα που περιέχουν από ένα «1» στα ψηφία τους (10000, 01000, 00100, 00010 και 00001), από τα οποία επιλέγουµε τυχαία το πρώτο. Στη συνέχεια είναι εύκολο να δείτε ότι τα υπόλοιπα διανύσµατα µε ένα «1» στα ψηφία τους θα αποτελέσουν επίσης οδηγούς γραµµών. Στην έβδοµη γραµµή έχουµε να επιλέξουµε µεταξύ των διανυσµάτων που έχουν δύο «1» και δεν έχουν εµφανιστεί στον πίνακα (11000, 10100, 01010 και 00110). Επιλέγοντας οποιαδήποτε δύο από αυτά τα διανύσµατα στις δύο τελευταίες θέσεις, εµφανίζονται και τα υπόλοιπα δύο, οπότε δεν έχει ιδιαίτερη σηµασία ποιο θα επιλέξουµε. Έτσι, επιλέγουµε τυχαία το 11000 και υπολογίζουµε τα στοιχεία της έβδοµης γραµµής. Στην τελευταία γραµµή επιλέγουµε τυχαία ως οδηγό το 10100, αντί για το 01010. ¶›Ó·Î·˜ 3.4

Ο Πίνακας Τυπικής ∆ιάταξης του συστηµατικού γραµµικού κώδικα δέσµης (5, 2) του Πίνακα 3.3 (α)

(β)

(γ)

(δ)

00000

01101

10011

11110

10000

11101

00011

01110

01000

00101

11011

10110

00100

01001

10111

11010

00010

01111

10001

11100

00001

01100

10010

11111

11000

10101

01011

00110

10100

11001

00111

01010

Σύµφωνα µε τον Πίνακα 3.4, εάν, π.χ. η εισερχόµενη ακολουθία bits είναι η 01001, τότε ο παραλήπτης κόµβος αναγνωρίζει ότι υπήρξε σφάλµα µεταφοράς στο 3ο bit και προωθεί προς περαιτέρω επεξεργασία την έγκυρη κωδική λέξη 01101. Όπως είδαµε στο Παράδειγµα 3.4, ο συστηµατικός γραµµικός κώδικας δέσµης (5,

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

92

2) του Πίνακα 3.3 µπορεί να διορθώσει σφάλµατα µεταφοράς σε ένα bit. Έτσι, τα διορθώσιµα ίχνη σφάλµατος είναι συνολικά 5 (σφάλµα στο 1ο bit της λέξης, σφάλµα στο 2ο bit,…, σφάλµα στο 5ο bit). Όµως, η έβδοµη και η όγδοη γραµµή του Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης µας υπαγορεύουν ότι διορθώσιµα ίχνη σφάλµατος είναι επίσης και τα 11000 και 10100, δηλαδή τα σφάλµατα στο 1ο και 2ο bit της λέξης και στο 1ο και 3ο bit της λέξης, αντίστοιχα. Ας δούµε τι συµβαίνει σε αυτές τις περιπτώσεις. Έστω ότι η εισερχόµενη ακολουθία bits είναι η 10101. Αυτή η ακολουθία µπορεί να προέκυψε από ταυτόχρονα σφάλµατα στο 1ο και 2ο bit (β ≈ 11000) ή από σφάλµατα στο 3ο και 4ο bit (γ ≈ 00110). Εάν ο έλεγχος σφάλµατος βασίζεται στον Πίνακα 3.4, τότε η αποκωδικοποίηση θα µας δώσει το χαρακτήρα β. Γνωρίζοντας εκ των προτέρων ότι τα σφάλµατα σε δύο bit ταυτόχρονα δε διορθώνονται µε ασφάλεια από τον κώδικα, είναι στην κρίση µας εάν θα χρησιµοποιήσουµε ή όχι το αποτέλεσµα του αποκωδικοποιητή. Εάν τα σφάλµατα είναι περισσότερα από όσα µπορεί να ανιχνεύσει µε βεβαιότητα ο κώδικας, δηλαδή, για τον κώδικα του Πίνακα 3.3, περισσότερα από 2, τότε είναι δυνατή η περίπτωση εσφαλµένης αναγνώρισης της κωδικής λέξης. π.χ. εάν ο αποστολέας στείλει την κωδική λέξη β και συµβεί σφάλµα µεταφοράς στο 1ο, 4ο και 5ο bit, τότε β ≈ 10011= 11110=δ. ∆ηλαδή ο παραλήπτης κόµβος αναγνωρίζει (εσφαλµένα) την έγκυρη κωδική λέξη δ και την προωθεί προς επεξεργασία.

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 3.6 (α)Κατασκευάστε το συστηµατικό κώδικα δέσµης (6, 3) µε γεννήτορα πίνακα τον È1 0 0 1 0 1 ˘ ˙ Í G = Í0 1 0 1 1 0˙ Í0 0 1 0 1 1 ˙ ˚ Î (β) Ποιες είναι οι δυνατότητες διόρθωσης σφαλµάτων του κώδικα; (γ) Καταστρώστε έναν Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης για τον κώδικα. (δ) Ποιο θα είναι το αποτέλεσµα της αποκωδικοποίησης εάν η εισερχόµενη ακολουθία bits στον παραλήπτη κόµβο είναι µία από τις: 010111, 000100, 111011, 100101, 111111.

™YNOæH

93

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 3.4 Εξετάστε αν το σύστηµα αποκωδικοποίησης που βασίζεται σε Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης είναι πραγµατοποιήσιµο. Υπόδειξη: Υπολογίστε τις απαιτήσεις σε µνήµη για τον κώδικα δέσµης (63, 57).

™‡ÓÔ„Ë • Μεταξύ των κόµβων του δικτύου ανταλλάσσονται λογικές ενότητες, οι οποίες ονοµάζονται πλαίσια. Στα πλαίσια ενθυλακώνονται τα προς µετάδοση δεδοµένα, ενώ οι απαραίτητες πληροφορίες ελέγχου ενσωµατώνονται στην επικεφαλίδα και στην ουρά του πλαισίου. • Τους διάφορους τρόπους σύνθεσης ενός πλαισίου τους κατατάσσουµε σε τρεις κατηγορίες: στα πλαίσια µε οργάνωση ανά byte, στα πλαίσια µε οργάνωση ανά bit και σε αυτά όπου η οργάνωσή τους βασίζεται σε ένα καθολικό ρολόι που λειτουργεί σε όλο το εύρος του δικτύου. • Τα χαρακτηριστικότερα πρωτόκολλα πλαισίωσης µε οργάνωση ανά byte είναι τα BISYNC και το DDCMP. Στο BISYNC η αρχή και το τέλος του πλαισίου δηλώνονται από ειδικούς χαρακτήρες, ενώ στο DDCMP το τέλος του πλαισίου δηλώνεται µέσω ενός ειδικού πεδίου στην επικεφαλίδα του, το οποίο δηλώνει το µήκος του πλαισίου. Για την αντιµετώπιση των σφαλµάτων µεταφοράς, τα πλαίσια εξοπλίζονται µε πληροφορία ειδική για τον εντοπισµό τους. • Το χαρακτηριστικότερο πρωτόκολλο πλαισίωσης µε οργάνωση ανά bit είναι το HDLC. Στο HDLC η αρχή και το τέλος του πλαισίου δηλώνονται από µια ειδική ακολουθία bits. Για να αποφύγουµε την εµφάνιση αυτής της ειδικής ακολουθίας µέσα στα δεδοµένα του πλαισίου, υλοποιούµε την τεχνική της προσθήκης bit. • Το πρωτόκολλο SDH, και το ισοδύναµό του SONET, βασίζεται σε ένα καθολικό ρολόι που λειτουργεί σε όλο το δίκτυο και αποτελεί πλέον την κύρια λύση για τη µετάδοση ψηφιακού σήµατος πάνω από οπτική ίνα. • Το SDH υποστηρίζει, εκ κατασκευής, την πολύπλεξη συνδέσµων χαµηλού ρυθµού µετάδοσης και χειρίζεται µε ευκολία τα «εκτός φάσης» δεδοµένα που εισέρχονται στο δίκτυο. • Στα δίκτυα υπολογιστών χρησιµοποιούνται δύο τύποι µηχανισµών ελέγχου: ο εντοπισµός και η διόρθωση σφαλµάτων. Ο εντοπισµός σφαλµάτων συνήθως συµπληρώνεται από µηχανισµό επανεκποµπής των εσφαλµένων πλαισίων.

94

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

• Ο χαρακτηριστικότερος µηχανισµός εντοπισµού σφαλµάτων είναι ο έλεγχος κυκλικού πλεονασµού, γνωστός ως CRC. • Για τον εντοπισµό των σφαλµάτων µεταφοράς, τα µεταδιδόµενα δεδοµένα εξοπλίζονται µε επιπρόσθετα bits, η τιµή των οποίων προκύπτει µε εφαρµογή του αλγόριθµου CRC. • Οι δυνατότητες εντοπισµού των σφαλµάτων ποικίλλουν, ανάλογα µε το µέγεθος και τη µορφή του χρησιµοποιούµενου κώδικα CRC. Στην πράξη έχουν τυποποιηθεί και χρησιµοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά µερικοί µόνο από τους διαθέσιµους κώδικες CRC. • Η διόρθωση σφαλµάτων είναι επιθυµητή στις υπηρεσίες πραγµατικού χρόνου, στις µονόδροµες επικοινωνίες και στις υπηρεσίες µε πολλαπλούς παραλήπτες. • Οι γραµµικοί κώδικες δέσµης χρησιµοποιούνται ευρέως στα επικοινωνιακά συστήµατα, κυρίως λόγω της απλότητας στην υλοποίησή τους. • Η επιπρόσθετη πληροφορία ελέγχου στους γραµµικούς κώδικες δέσµης υπολογίζεται βάσει µιας προκαθορισµένης µεταβλητής, η οποία ονοµάζεται γεννήτορας πίνακας. Κάποιος συστηµατικός τρόπος επιλογής του γεννήτορα πίνακα δεν είναι διαθέσιµος, ενώ η τιµή του έχει σηµαντική επίδραση στις δυνατότητες διόρθωσης σφαλµάτων και στην απλότητα υλοποίησης του κώδικα. • Ο τρόπος που λειτουργούν οι γραµµικοί κώδικες δέσµης στον παραλήπτη κόµβο για τη διόρθωση των σφαλµάτων µεταφοράς γίνεται εύκολα αντιληπτός µέσω του Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης. Στην πράξη οι αποκωδικοποιητές δε χρειάζεται να τηρούν στη µνήµη τους όλη την Τυπική ∆ιάταξη του κώδικα, αλλά, εκµεταλλευόµενοι τη µαθηµατική δοµή και τις ιδιότητές του, κρατούν ένα πολύ µικρό µέρος αυτής της πληροφορίας.

B I B § I O ° PA º I A

µÈ‚ÏÈÔÁÚ·Ê›·

Για τα πρωτόκολλα πλαισίωσης παραπέµπουµε στο Κεφάλαιο 3 του βιβλίου των Peterson και Davie (1996), στο Κεφάλαιο 2 του βιβλίου των Bertsekas και Gallager (1992) και στο Κεφάλαιο 6 του βιβλίου του Walrand (1998). Η προηγούµενη έκδοση του βιβλίου του Walrand έχει µεταφραστεί στα ελληνικά από τον Μ. Αναγνώστου (1997). Ειδικότερα, για τα πρωτόκολλα DDCMP και HDLC ο αναγνώστης µπορεί να βρει επιπλέον πληροφορίες στα RFC – 891 και RFC – 1549, αντίστοιχα. Τα RFCs είναι διαθέσιµα στη διεύθυνση http://www.rfc – editor.org. Για το SDH εισαγωγικό και εξαιρετικά ευανάγνωστο είναι το αντίστοιχο εγχειρίδιο τσέπης της εταιρείας Wandel & Goltermann, το οποίο διατίθεται δωρεάν µέσω του δικτυακού τόπου http://www.wg.com/techlibrary/articles/sdh_guide1.html. Ο αλγόριθµος εντοπισµού σφαλµάτων CRC παρουσιάζεται συνοπτικά στο Κεφάλαιο 3 του βιβλίου των Peterson και Davie (1996), ενώ για περισσότερη πληροφορία θα πρέπει να ανατρέξετε στο βιβλίο του Blahut (1983). Οι κώδικες διόρθωσης σφαλµάτων παρουσιάζονται συνοπτικά στο Κεφάλαιο 10 του βιβλίου των Glover και Grant (1998) και στο Κεφάλαιο 9 του βιβλίου του Shanmugam (1979). Για την αναλυτική τους παρουσίαση ο αναγνώστης παραπέµπεται στα βιβλία του Wicker (1995) και των Clark και Cain (1981). [1] Larry L. Peterson and Bruce S. Davie. «Computer Networks: A System Approach». Morgan Kaufmann Publishers, Inc. ISBN 1 – 55860 – 368 – 9. (1996). [2] Dimitri Bertsekas and Robert Gallager. «Data Networks». Prentice Hall. ISBN 0 – 13 – 200916 – 1. (1992). [3] Jean Walrand. «Communications Networks: A First Course». Second Edition. McGraw – Hill. ISBN 0 – 256 – 17404 – 0. (1998). [4] Jean Walrand. «∆ίκτυα Επικοινωνιών». Μετάφραση: Μιλτιάδης Αναγνώστου. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. ISBN 960 – 7510 – 45 – 3. (1997). [5] Blahut, R. E. «Theory and Practice of Error Control Codes». Addison – Wesley Publishing Company, Reading, MA. (1983). [6] Ian Glover and Peter Grant. «Digital Communications». Prentice – Hall, Inc. ISBN 0 – 13 – 565391 – 6. (1998). [7] K. Sam Shanmugam. «Ψηφιακά και Αναλογικά Συστήµατα Επικοινωνίας». Μετάφραση: Κ. Καρούµπαλου. Εκδόσεις Γ. Πνευµατικού. (1979).

95

96

KEºA§AIO 3: ∞¶∂À£∂π∞™ ™À¡¢∂™∏ K√ªµø¡

[8] Stephen Wicker. «Error Control Systems for Digital Communication and Storage». Prentice Hall. ISBN 0 – 13 – 200809 – 2. (1995). [9] George Clark and Bibb Cain. «Error – Correction Coding for Digital Communications». Plenum Press. ISBN 0 – 306 – 40615 – 2. (1981).

∫

¶ÚˆÙfiÎÔÏÏ· E·ÓÂÎÔÌ‹˜ ™ÎÔfi˜

∂

4 º

Σε αυτό το κεφάλαιο θα γνωρίσουµε τρία ευρέως χρησιµοποιούµενα πρωτόκολλα επανεκποµπής πλαισίων ή πακέτων, τα οποία µας εξασφαλίζουν µία αξιόπιστη µετάδοση, απαλλαγµένη από σφάλµατα µεταφοράς, πάνω από ένα αναξιόπιστο κανάλι επικοινωνίας.

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτό το κεφάλαιο, θα µπορείτε να : • αιτιολογήσετε την αναγκαιότητα ύπαρξης των πρωτοκόλλων επανεκποµπής, • περιγράψετε τις θεµελιώδεις αρχές λειτουργίας αυτών των πρωτοκόλλων, • ορίσετε την απόδοση ενός πρωτοκόλλου επανεκποµπής, • αναφέρετε τρία πρωτόκολλα επανεκποµπής που χρησιµοποιούνται ευρέως στα σύγχρονα δίκτυα υπολογιστών, • περιγράψετε τον τρόπο λειτουργίας και να προσδιορίσετε την απόδοση καθενός από τα τρία ευρέως χρησιµοποιούµενα πρωτόκολλα επανεκποµπής, τόσο κατά την απουσία σφαλµάτων µεταφοράς, όσο και κατά την ύπαρξη σφαλµάτων, • αναφέρετε ποια πρωτόκολλα χαρακτηρίζονται ως ολισθαίνοντος παραθύρου και ποια ως παύσης και αναµονής και να αιτιολογήσετε τους παραπάνω χαρακτηρισµούς, • συγκρίνετε τα τρία πρωτόκολλα ως προς την πολυπλοκότητά τους και ως προς την απόδοσή τους.

ŒÓÓÔȘ ÎÏÂȉȿ • LAPB

• επιβεβαίωση λήψης (ACK)

• X.25

• πρωτόκολλο εναλλασσοµένου bit (ABP)

• XMODEM

• πρωτόκολλο επιλεκτικής επανάληψης (SRP)

• απόδοση ενός πρωτοκόλλου επανεκποµπής • αρνητική επιβεβαίωση (NACK)

• πρωτόκολλο οπισθοχώρησης κατά Ν (GBN) • συνεχής διοχέτευση (pipelining)

∞

§

∞

π

√

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

98

∂ÈÛ·ÁˆÁÈΤ˜ ·Ú·ÙËÚ‹ÛÂȘ Στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων, η µεταφερόµενη πληροφορία οργανώνεται σε πακέτα. Κάθε πακέτο εξοπλίζεται µε τις απαραίτητες πληροφορίες ελέγχου και στη συνέχεια προωθείται στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων για την πλαισίωσή του και τη µεταφορά του πάνω από το φυσικό µέσο. Όµως τα φυσικά µέσα µετάδοσης, όσο προσεκτικά σχεδιασµένα και κατασκευασµένα και να είναι, δεν µπορούν να εγγυηθούν µία µεταφορά πλαισίου απαλλαγµένη από σφάλµατα. Έτσι, τα δίκτυα επικοινωνιών πρέπει να περιλαµβάνουν µηχανισµούς για τον εντοπισµό και το χειρισµό των σφαλµάτων µεταφοράς. Όπως είδαµε στο Κεφάλαιο 3, υπάρχουν διάφορες αποδοτικές τεχνικές που µπορούν να εντοπίσουν µε ακρίβεια ένα ευρύ φάσµα από σφάλµατα µεταφοράς. Όταν εντοπιστεί ένα εσφαλµένο πλαίσιο τότε, είτε διορθώνεται επί τόπου (εάν η αναγκαία πληροφορία γι’ αυτή τη διόρθωση είναι διαθέσιµη), είτε ζητείται η επανεκποµπή του. Ο έλεγχος επανεκποµπής των εσφαλµένων πλαισίων µπορεί να διενεργηθεί, είτε σε κάθε σύνδεσµο από τον οποίο διέρχεται η µεταφερόµενη πληροφορία, είτε στο άκρο του τελικού παραλήπτη κόµβου. Ακολουθώντας τις οδηγίες του µοντέλου αναφοράς OSI, η πρώτη µορφή ελέγχου θα διενεργείται από το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων, ενώ ο δεύτερος έλεγχος θα εκτελείται στο Επίπεδο Μεταφοράς. Όταν ο έλεγχος σφαλµάτων διενεργείται σε επίπεδο συνδέσµου, τότε, κατά την άφιξη ενός πλαισίου σε κάθε ενδιάµεσο κόµβο, ελέγχεται αρχικά η ορθότητα των δεδοµένων του, επαληθεύοντας π.χ. την τιµή CRC που περιέχει. Αν το πλαίσιο είναι λανθασµένο τότε αυτός ο ενδιάµεσος κόµβος ζητά την επανεκποµπή ενός αντιγράφου του από τον αµέσως προηγούµενο κόµβο από τον οποίο έλαβε αυτό το εσφαλµένο πλαίσιο. Αυτός ο έλεγχος διενεργείται σε κάθε σύνδεσµο από τον οποίο διέρχεται το πακέτο. Όταν ο έλεγχος σφαλµάτων διενεργείται στην από – άκρο – σε – άκρο επικοινωνία, τότε ο κάθε ενδιάµεσος σύνδεσµος απλώς απορρίπτει το πλαίσιο, όταν αυτό εντοπιστεί λανθασµένο, και δεν εκτελεί ενέργειες για την επανεκποµπή του. Έτσι όµως, κάποια πακέτα από την αρχική ροή πληροφορίας δε θα φτάσουν ποτέ στον τελικό προορισµό τους. Εκεί θα διαπιστωθεί η απουσία τους και τότε θα ξεκινήσουν οι διαδικασίες επανεκποµπής τους από τον αρχικό αποστολέα κόµβο. Αξίζει να παρατηρήσουµε ότι αυτές οι διαδικασίες επανεκποµπής, ή αλλιώς τα πρωτόκολλα επανεκποµπής των εσφαλµένων πακέτων, είναι οι ίδιες µ’ αυτές που εκτελούνται στον έλεγχο σε επίπεδο συνδέσµου. Και αυτό γιατί το από – άκρο – σε – άκρο κανάλι επικοινωνίας µπορεί να θεωρηθεί ως ένας ιδεατός σύνδεσµος.

4.1 µ∞™π∫∂™ ∞ƒÃ∂™ ™∆∏¡ ∂¶∞¡∂∫¶√ª¶∏ ¶§∞π™πø¡

99

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 4.1 Σε ποιες περιπτώσεις πιστεύετε ότι ο έλεγχος σφαλµάτων ανά σύνδεσµο υπερτερεί έναντι του ελέγχου που διενεργείται στο από – άκρο – σε – άκρο κανάλι επικοινωνίας;

Σ’ αυτό το Κεφάλαιο θα παρουσιάσουµε αρχικά κάποιες βασικές αρχές που πρέπει να ακολουθούν οι διαδικασίες επανεκποµπής πλαισίων και στη συνέχεια θα περιγράψουµε τρία πρωτόκολλα επανεκποµπής, τα οποία χρησιµοποιούνται συνήθως στα σύγχρονα δίκτυα υπολογιστών. Αυτά είναι: • το πρωτόκολλο εναλλασσοµένου bit (alternating bit protocol – ABP), • το πρωτόκολλο οπισθοχώρησης κατά Ν (GO BACK N), και • το πρωτόκολλο επιλεκτικής επανάληψης (selective repeat protocol – SRP). Για κάθε ένα πρωτόκολλο θα εξηγήσουµε τον τρόπο λειτουργίας του και θα αναλύσουµε την απόδοσή του, δίδοντας παράλληλα και κάποια χαρακτηριστικά παραδείγµατα της υλοποίησης αυτών των πρωτοκόλλων σε ορισµένα δηµοφιλή δίκτυα. Αυτά τα πρωτόκολλα χαρακτηρίζονται συχνά στη διεθνή βιβλιογραφία ως πρωτόκολλα ARQ (Automatic Repeat reQuest). 4.1 µ·ÛÈΤ˜ ·Ú¯¤˜ ÛÙËÓ Â·ÓÂÎÔÌ‹ Ï·ÈÛ›ˆÓ

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· aÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτήν την ενότητα θα µπορείτε να: • περιγράψετε τους δύο θεµελιώδεις µηχανισµούς στους οποίους βασίζονται τα πρωτόκολλα επανεκποµπής, • εξηγήσετε γιατί τα πλαίσια δεδοµένων και τα αντίστοιχα πλαίσια επιβεβαίωσης πρέπει να αριθµούνται κατά τη µετάδοσή τους στο δίκτυο, • αναφέρετε πώς επιτυγχάνεται η αρίθµηση των πλαισίων, • ορίσετε την απόδοση ενός πρωτοκόλλου επανεκποµπής. Τα πρωτόκολλα επανεκποµπής πλαισίων συνήθως υλοποιούνται βασιζόµενα στη συνδυασµένη χρήση δύο θεµελιωδών µηχανισµών, οι οποίοι παρουσιάζονται στην Ενότητα 4.1.1: της επιβεβαίωσης λήψης και του χρόνου προθεσµίας. Επίσης, για την ορθότητα των πρωτοκόλλων επανεκποµπής, τα πλαίσια που µεταδίδονται θα πρέπει να αριθµούνται. Αυτή η απαίτηση, αλλά και µία αντίστοιχη απαίτηση που έχει εφαρµογή στα πλαίσια επιβεβαίωσης λήψης, εξηγούνται µε δύο χαρακτηριστικά παραδείγµατα στις Ενότητες 4.1.2 και 4.1.3 αντίστοιχα.

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

100

4.1.1 ∏ ÂȂ‚·›ˆÛË Ï‹„˘ Î·È Ô ¯ÚfiÓÔ˜ ÚÔıÂÛÌ›·˜

Η επιβεβαίωση λήψης (acknowledgment – ACK) είναι ένα πλαίσιο ελέγχου, το οποίο αποστέλλει ο παραλήπτης κόµβος στον αποστολέα για να τον ενηµερώσει ότι παρέλαβε, χωρίς σφάλµατα, το πλαίσιο που του έστειλε. Το πλαίσιο ACK δεν περιέχει δεδοµένα και κατά συνέπεια είναι πολύ µικρό σε µέγεθος. Εάν ο αποστολέας δεν παραλάβει την επιβεβαίωση λήψης µέσα σ’ ένα προκαθορισµένο χρόνο προθεσµίας (timeout), τότε θεωρεί ότι το πλαίσιο που έστειλε χάθηκε ή έφτασε µε σφάλµατα στον παραλήπτη και το ξαναστέλνει. Τα πρωτόκολλα στα οποία ο αποστολέας περιµένει µία θετική επιβεβαίωση λήψης πριν προχωρήσουν στην επόµενη αποστολή πλαισίου καλούνται συχνά πρωτόκολλα PAR (Positive Acknowledgment with Retransmission). χρόνος προθεσµία

προθεσµία

προθεσµία

αποστολέας πλαίσιο

πλαίσιο

ACK

πλαίσιο

ACK

παραλήπτης (α) προθεσµία

προθεσµία

(β) προθεσµία

προθεσµία

ACK πλαίσιο

ACK

ACK πλαίσιο

™¯‹Ì· 4.1

ACK

πλαίσιο πλαίσιο

(γ)

(δ)

Τέσσερα διαφορετικά σενάρια που πηγάζουν από τη χρήση των µηχανισµών επιβεβαίωσης λήψης και χρόνου προθεσµίας. (α) η επιβεβαίωση λαµβάνεται εντός της προθεσµίας, (β) το πλαίσιο χάνεται κατά τη µεταφορά του και επαναµεταδίδεται (αυτή τη φορά µε επιτυχία), (γ) η επιβεβαίωση του πλαισίου χάνεται και έτσι ο αποστολέας µεταδίδει ξανά το πλαίσιο και (δ) η προθεσµία είναι ανεπαρκής και έτσι το πλαίσιο ενδέχεται να µεταδίδεται συνεχώς στο δίκτυο, αγνοώντας την ορθή λήψη του από τον παραλήπτη.

Στα σχήµατα 4.1.α – 4.1.δ απεικονίζονται τέσσερα διαφορετικά σενάρια που πηγάζουν από τη χρήση αυτών των µηχανισµών. Αυτά τα σχήµατα είναι χρονοδιαγράµµατα, όπου ο χρόνος παριστάνεται στον οριζόντιο άξονα και αυξάνει από αριστερά προς τα δεξιά και είναι ένας συνηθισµένος τρόπος περιγραφής της συµπεριφοράς

4.1 µ∞™π∫∂™ ∞ƒÃ∂™ ™∆∏¡ ∂¶∞¡∂∫¶√ª¶∏ ¶§∞π™πø¡

ενός πρωτοκόλλου. Η πάνω οριζόντια γραµµή αντιστοιχεί στον αποστολέα, ενώ η κάτω γραµµή αντιστοιχεί στον παραλήπτη κόµβο. Η λοξή γραµµή που ξεκινάει από τη γραµµή του αποστολέα και καταλήγει στη γραµµή του παραλήπτη παριστάνει τη µετάδοση του πλαισίου. Αντίστοιχα, η λοξή γραµµή από τον παραλήπτη στον αποστολέα παριστάνει τη µετάδοση της επιβεβαίωσης. Το σχήµα 4.1.α αναπαριστά την περίπτωση εκείνη όπου η επιβεβαίωση λαµβάνεται από τον αποστολέα πριν από τη λήξη του χρόνου προθεσµίας. Τα σχήµατα 4.1.β και 4.1.γ αναπαριστούν εκείνες τις περιπτώσεις όπου το πλαίσιο δεδοµένων, ή η επιβεβαίωση αντίστοιχα, χάνονται ή αλλοιώνονται κατά τη µεταφορά τους διαµέσου του συνδέσµου. Σ’ αυτές τις περιπτώσεις, µε την πάροδο του χρόνου προθεσµίας, ο αποστολέας µεταδίδει ξανά το πλαίσιο στο δίκτυο, οπότε και ελπίζει να ολοκληρωθεί µε επιτυχία αυτή τη φορά η µεταφορά του. Τέλος, στο σχήµα 4.1.δ έχουµε εκείνη την περίπτωση όπου ο χρόνος προθεσµίας έχει οριστεί πολύ µικρός και δεν επαρκεί για τη µεταφορά του πλαισίου και της επιβεβαίωσής του. Έτσι, ο αποστολέας κόµβος θα «κολλήσει», µεταδίδοντας συνέχεια το συγκεκριµένο πλαίσιο στο δίκτυο, άσχετα αν αυτό λαµβάνεται σωστά στο άκρο του παραλήπτη. 4.1.2 ∏ ·Ú›ıÌËÛË ÙˆÓ Ï·ÈÛ›ˆÓ

Όπως είδαµε στην προηγούµενη ενότητα, ο παραλήπτης κόµβος µπορεί να δεχθεί περισσότερα του ενός αντίγραφα ενός πλαισίου. Έτσι, θα πρέπει να είναι σε θέση να διαχωρίσει τα αντίγραφα από τα καινούργια πλαίσια. Αυτό επιτυγχάνεται µε την αρίθµηση των πλαισίων. Στον αποστολέα κόµβο υπάρχει ένας µετρητής, ο οποίος µηδενίζεται κατά την έναρξη µιας συνοµιλίας και αυξάνει κάθε φορά που ένα καινούργιο πακέτο µεταδίδεται στο δίκτυο. Η τιµή αυτού του µετρητή ορίζεται σαν ο αύξων αριθµός του αντίστοιχου πλαισίου µεταφοράς και επισυνάπτεται στην επικεφαλίδα του. Για να περιορίσουµε το χώρο που καταλαµβάνει ο αριθµός πλαισίου στην επικεφαλίδα του, αυτός υπολογίζεται συνήθως ως το υπόλοιπο της διαίρεσης του µετρητή µε µία προκαθορισµένη τιµή, η οποία αντιπροσωπεύει το µέγιστο επιτρεπτό πλήθος πακέτων που µπορούµε να µεταδώσουµε χωρίς να έχει επιβεβαιωθεί η λήψη τους. Έτσι, εάν π.χ. τα πλαίσια αριθµούνται modulo 128, τότε ο αριθµός πλαισίου καταλαµβάνει 7 bits στην επικεφαλίδα του πλαισίου. Το επόµενο παράδειγµα δείχνει ξεκάθαρα γιατί τα πλαίσια πρέπει να είναι αριθµηµένα. ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 4.1 Ας θεωρήσουµε ότι τα πλαίσια στο σχήµα 4.2 µεταδίδονται ως µη αριθµηµένα. Στο

101

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

102

σχήµα 4.2.α, ο αποστολέας µεταδίδει το πρώτο πακέτο µιας συνοµιλίας, συντάσσοντας το αντίστοιχο πλαίσιο – 1. Το πλαίσιο – 1 φτάνει στον παραλήπτη χωρίς σφάλµατα, ο οποίος συντάσσει και αποστέλλει την αντίστοιχη επιβεβαίωση λήψης. Το πλαίσιο ACK φτάνει στον αποστολέα εντός του χρόνου προθεσµίας, γεγονός που τον οδηγεί στη µετάδοση του δεύτερου πακέτου του. Το πλαίσιο – 2 φτάνει στον παραλήπτη τη χρονική στιγµή T. χρόνος προθεσµία

προθεσµία

αποστολέας ACK πλαίσιο-1

αντίγραφο‚ πλαισίου-1

πλαίσιο-1

πλαίσιο-2

παραλήπτης (α)

T

( β)

T

™¯‹Ì· 4.2

Μετάδοση µη αριθµηµένων πακέτων. Αν τα πακέτα δεν είναι αριθµηµένα, τότε, τη χρονική στιγµή T, ο παραλήπτης δε διαθέτει την απαραίτητη πληροφορία για να προσδιορίσει αν το πλαίσιο που παρέλαβε είναι ένα καινούργιο πλαίσιο (σχήµα α) ή ένα αντίγραφο του πλαισίου – 1 (σχήµα β).

Ας εξετάσουµε τώρα το σενάριο του σχήµατος 4.2.β. Το πλαίσιο – 1 φτάνει χωρίς σφάλµατα στον παραλήπτη, αλλά η επιβεβαίωσή του δε φτάνει ποτέ στον αποστολέα. Έτσι, µε τη λήξη της προθεσµίας, ο αποστολέας επανεκπέµπει ένα αντίγραφο του πλαισίου – 1, το οποίο φτάνει στον παραλήπτη επίσης τη χρονική στιγµή T. Αν τα πακέτα δεν είναι αριθµηµένα, τότε, τη χρονική στιγµή T, ο παραλήπτης δε διαθέτει την αναγκαία πληροφορία για να προσδιορίσει αν το πλαίσιο που παρέλαβε είναι ένα αντίγραφο του πλαισίου – 1 ή το πλαίσιο – 2. Κατά συνέπεια, τα πλαίσια µετάδοσης πρέπει να είναι αριθµηµένα, για να µπορεί ο παραλήπτης να διαχωρίσει ένα αντίγραφο από ένα καινούργιο πλαίσιο. 4.1.3 ∏ ·Ú›ıÌËÛË ÛÙȘ ÂȂ‚·ÈÒÛÂȘ Ï‹„˘

Μία ακόµα βασική απαίτηση στα πρωτόκολλα επανεκποµπής είναι η αρίθµηση των πλαισίων επιβεβαίωσης. Αυτό επιτυγχάνεται ενσωµατώνοντας στην επικεφαλίδα του πλαισίου ACK τον αριθµό αποστολής του αντίστοιχου πλαισίου δεδοµένων του οποίου επιβεβαιώνει την ορθή λήψη. Η αρίθµηση αυτή είναι απαραίτητη για να µπορεί ο αποστολέας να διαχωρίσει αν η επιβεβαίωση που έλαβε είναι για το πλαίσιο που µετέδωσε τελευταίο ή για κάποιο προηγούµενό του. Αυτή η περίπτωση φαίνεται ξεκάθαρα στο παρακάτω παράδειγµα.

4.1 µ∞™π∫∂™ ∞ƒÃ∂™ ™∆∏¡ ∂¶∞¡∂∫¶√ª¶∏ ¶§∞π™πø¡

103

¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 4.2 Έστω ότι ο αποστολέας µεταδίδει ένα αριθµηµένο πλαίσιο (πλαίσιο – 1) στο δίκτυο, το οποίο φτάνει χωρίς σφάλµατα στον προορισµό του (βλέπε σχήµα 4.3). Επίσης, έστω ότι ο παραλήπτης κόµβος καθυστερεί να επεξεργαστεί το πλαίσιο για να διαπιστώσει την ορθότητά του και να συντάξει έτσι το πλαίσιο επιβεβαίωσης. Αιτίες αυτής της καθυστέρησης µπορεί να είναι π.χ. η αναµονή του πλαισίου στην ουρά που αναπτύχθηκε στον ενταµιευτή του συνδέσµου (link buffer) λόγω πρόσκαιρης αυξηµένης κυκλοφορίας ή η προσωρινή υπεραπασχόληση του επεξεργαστή του µεταγωγέα. ο αποστολέας θεωρεί λανθασµένα ότι αυτή‚ η επιβεβαίωση είναι για το πλαίσιο-2

προθεσµία

T

αποστολέας 1

1

2 ™¯‹Ì· 4.3

παραλήπτης καθυστέρηση (π.χ., λόγω αναµονής‚ στην ουρά του ενταµιευτή)

Μετάδοση µε µη αριθµηµένα πλαίσια επιβεβαίωσης λήψης.

Αν τα πλαίσια ACK δεν είναι αριθµηµένα, τότε, τη χρονική στιγµή T, ο αποστολέας αντιλαµβάνεται λανθασµένα ότι το πλαίσιο – 2 παραδόθηκε χωρίς σφάλµατα στον παραλήπτη.

Τελικά, το πλαίσιο επιβεβαίωσης συντάσσεται και αποστέλλεται πίσω στον αποστολέα, αλλά φτάνει µετά τη λήξη του χρόνου προθεσµίας. Έτσι, ο αποστολέας, που έχει ήδη µεταδώσει ένα αντίγραφο του πλαισίου – 1, θεωρεί ότι η επιβεβαίωση αυτή είναι του αντιγράφου και αποστέλλει στο δίκτυο το επόµενο πακέτο µέσω του πλαισίου – 2. Για κάποιους λόγους, το πλαίσιο – 2 χάνεται, ενώ ο αποστολέας δέχεται ένα πλαίσιο ACK, το οποίο προέρχεται από την ορθή λήψη του αντιγράφου του πλαισίου – 1. Αυτό όµως δεν µπορεί να γίνει αντιληπτό από τον αποστολέα, ο οποίος θεωρεί λανθασµένα ότι η επιβεβαίωση προέρχεται από την ορθή λήψη του πλαισίου – 2. Αν όµως τα πλαίσια ACK ήταν αριθµηµένα, η παραπάνω παρεξήγηση δε θα είχε συµβεί, καθώς ο αποστολέας θα µπορούσε να διακρίνει σε ποιο πλαίσιο αναφέρεται η επιβεβαίωση λήψης. 4.1.4 ∏ ·fi‰ÔÛË ÂÓfi˜ ÚˆÙÔÎfiÏÏÔ˘ Â·ÓÂÎÔÌ‹˜

Η απόδοση ενός πρωτοκόλλου επανεκποµπής ορίζεται ως το µέσο ποσοστό χρόνου κατά τον οποίο ο αποστολέας µεταδίδει καινούργια πλαίσια δεδοµένων, υποθέτοντας ότι πάντα υπάρχουν πακέτα προς µετάδοση. Τον υπόλοιπο χρόνο, ο αποστολέ-

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

104

ας είτε περιµένει κάποια επιβεβαίωση λήψης, είτε επαναµεταδίδει αντίγραφα πλαισίων για τα οποία δεν επιβεβαιώθηκε η λήψη τους. Για παράδειγµα, έστω ότι το πλαίσιο δεδοµένων έχει µέγεθος 2048 bits και ότι ο αποστολέας µεταδίδει κυκλοφορία στο δίκτυο µε ρυθµό 64 Kbps. Εάν η απόδοση του πρωτοκόλλου επανεκποµπής είναι 100%, τότε ο αποστολέας µεταδίδει συνέχεια καινούργια πλαίσια δεδοµένων, δηλαδή µεταδίδει 64 ÷2 = 32 νέα πλαίσια ανά δευτερόλεπτο. Αντίστοιχα, εάν η απόδοση του πρωτοκόλλου είναι 20%, τότε ο αποστολέας µεταδίδει νέα πλαίσια µόνο το 20% του χρόνου του, δηλαδή, κατά µέσο όρο, µεταδίδει 6,4 νέα πλαίσια ανά δευτερόλεπτο. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 4.1 Ποιες από τις παρακάτω προτάσεις είναι αληθείς; (α)Τα πλαίσια επιβεβαίωσης περιέχουν κώδικα ανίχνευσης λαθών. (β) Τα πρωτόκολλα επανεκποµπής µπορούν να υλοποιηθούν σε δίκτυα µονόδροµης επικοινωνίας. (γ) Όταν λέµε ότι ένα πλαίσιο «χάνεται» κατά τη µεταφορά του, εννοούµε ότι υπόκειται σε µη επιδιορθώσιµη αλλοίωση, η οποία ανιχνεύεται στον παραλήπτη κόµβο και γι’ αυτό απορρίπτεται και δεν προωθείται για περαιτέρω επεξεργασία. (δ) Σύµφωνα µε τους µηχανισµούς επιβεβαίωσης λήψης και χρόνου προθεσµίας, όταν ο αποστολέας µεταδώσει ένα πακέτο στο δίκτυο, τότε ανακαλεί από το Επίπεδο ∆ικτύου το επόµενο πακέτο και περιµένει να συµβεί ένα από τα ακόλουθα τρία γεγονότα: (1) να λάβει τη σχετική επιβεβαίωση λήψης χωρίς σφάλµατα, (2) να λάβει την επιβεβαίωση αλλοιωµένη και (3) να λήξει ο χρόνος προθεσµίας. Υποθέστε ότι ο ενταµιευτής του αποστολέα έχει µέγεθος ικανό για την προσωρινή αποθήκευση µόνο ενός πακέτου.

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 4.2 Ο µηχανισµός των πλαισίων επιβεβαίωσης λήψης συχνά κατακρίνεται για µη αποδοτική αξιοποίηση του διαθέσιµου εύρους ζώνης του συνδέσµου. Μπορείτε να εξηγήσετε το λόγο αυτής της κριτικής; Επίσης, µπορείτε να προτείνετε µία τεχνική που να βελτιώνει τη χρησιµοποίηση του εύρους ζώνης του συνδέσµου;

4.2 ∆√ ¶ƒø∆√∫√§§√ ∂¡∞§§∞™™√ª∂¡√À BIT

4.2 ∆Ô ÚˆÙfiÎÔÏÏÔ ÂÓ·ÏÏ·ÛÛÔ̤ÓÔ˘ bit

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτήν την ενότητα θα µπορείτε να: • περιγράψετε τον τρόπο λειτουργίας του πρωτοκόλλου εναλλασσοµένου bit (ABP), • εξηγήσετε γιατί το ABP χαρακτηρίζεται ως πρωτόκολλο παύσης και αναµονής, • προσδιορίσετε την απόδοση του πρωτοκόλλου, τόσο κατά την απουσία σφαλµάτων µεταφοράς, όσο και κατά την ύπαρξη αυτών, • εξηγήσετε γιατί στο πρωτόκολλο ABP έχουµε απώλεια απόδοσης ακόµα και όταν δεν έχουµε σφάλµατα µεταφοράς, • αναφέρετε ένα πρωτόκολλο Σύνδεσης ∆εδοµένων που υλοποιεί την τεχνική επανεκποµπής πλαισίων ABP. Το πρωτόκολλο εναλλασσοµένου bit (alternating bit protocol – ABP) είναι το απλούστερο από τα τρία πρωτόκολλα επανεκποµπής που παρουσιάζουµε σ’ αυτό το Κεφάλαιο. Στην αρχή περιγράφουµε τον τρόπο λειτουργίας του και στη συνέχεια αναλύουµε την απόδοσή του. Και καταλήγουµε σ’ αυτήν την Ενότητα παραθέτοντας το XMODEM, ένα παράδειγµα υλοποίησης του πρωτοκόλλου ABP. 4.2.1 √ ÙÚfiÔ˜ ÏÂÈÙÔ˘ÚÁ›·˜ ÙÔ˘ ÚˆÙÔÎfiÏÏÔ˘ ABP

Η παύση και αναµονή (stop – and – wait) είναι η βασική ιδέα του πρωτοκόλλου ABP: µόλις ο αποστολέας µεταδώσει ένα πλαίσιο, περιµένει την επιβεβαίωση λήψης από τον παραλήπτη πριν προχωρήσει στην αποστολή του επόµενου πλαισίου. Εάν αυτή η επιβεβαίωση δεν φτάσει µέσα στον προσυµφωνηµένο χρόνο προθεσµίας, τότε µεταδίδει ξανά το πλαίσιο. Για την αποφυγή παρεξηγήσεων, η διάταξη των πλαισίων δεδοµένων αποτυπώνεται δεσµεύοντας 1 bit στην επικεφαλίδα του πλαισίου. ∆ηλαδή, τα πιθανά νούµερα πλαισίων είναι τα 0 και 1. Επίσης, τα πλαίσια επιβεβαίωσης περιέχουν αναφορές στην αρίθµηση των αντίστοιχων πλαισίων δεδοµένων που επιβεβαιώνουν. Η ορθότητα του πρωτοκόλλου ABP βασίζεται στην υπόθεση ότι το φυσικό µέσο µετάδοσης είναι «καλωδιακό» (wire – line), δηλαδή παραδίδει τα πλαίσια µε τη σειρά αποστολής τους. Επειδή συνήθως τα δίκτυα δεδοµένων υλοποιούνται µε «καλωδιακά» µέσα µετάδοσης, αυτή η παραδοχή θα βρίσκεται σε ισχύ τόσο στην παρούσα, όσο και στις επόµενες Ενότητες του Κεφαλαίου.

105

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

106

¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 4.3 Στο σχήµα 4.4 απεικονίζεται ένα σενάριο µετάδοσης πλαισίων, όταν το εφαρµοζόµενο πρωτόκολλο είναι το ABP. Αρχικά ο αποστολέας θέλει να µεταδώσει το πρώτο πακέτο P(1). Συντάσσει το αντίστοιχο πλαίσιο, αριθµώντας το µε την τιµή 0, και το αποστέλλει. Αυτό παραλαµβάνεται χωρίς σφάλµατα στο άλλο άκρο, το οποίο επιστρέφει µία επιβεβαίωση λήψης, η οποία είναι επίσης αριθµηµένη µε την τιµή 0. Με την επιβεβαίωση της ορθής µετάδοσης του πρώτου πακέτου, ο αποστολέας ξεκινά τη διαδικασία για τη µετάδοση του πακέτου P(2). Το αντίστοιχο πλαίσιο αριθµείται µε 1, αλλά η επιβεβαίωση λήψης του αργεί να φτάσει, οπότε αποστέλλεται ξανά στο δίκτυο ένα αντίγραφο του P(2), αριθµηµένο επίσης ως 1. Λίγο µετά την µετάδοση του αντιγράφου του P(2), φτάνει στον αποστολέα η επιβεβαίωση λήψης της προηγούµενης µετάδοσης. Ελέγχεται η αρίθµησή του και επειδή είναι η σωστή (ACK1), ο αποστολέας προχωρά στη µετάδοση του επόµενου πακέτου P(3). P(1)

P(2)

P(2)

P(3)

προθεσµία

P(3)

P(4)

προθεσµία

A 0

1

0

ACK1

0

1

1 ACK0

ACK1

ACK0

Π ™¯‹Ì· 4.4

Παράδειγµα µετάδοσης πλαισίων µε χρήση του πρωτοκόλλου εναλλασσοµένου bit.

Το πλαίσιο για το πακέτο P(3) αριθµείται µε το 0 και αποστέλλεται. Κατά τη µετάδοσή του όµως χάνεται, ενώ στον αποστολέα φτάνει µία επιβεβαίωση λήψης µε την αρίθµηση 1. Αυτή η τιµή όµως δεν αντιστοιχεί στην τρέχουσα ανεπιβεβαίωτη αποστολή, οπότε και αγνοείται. Ο χρόνος προθεσµίας εκπνέει, και έτσι ο αποστολέας επαναµεταδίδει το πακέτο P(3), κ.ο.κ. 4.2.2 ∏ ·fi‰ÔÛË ÙÔ˘ ÚˆÙÔÎfiÏÏÔ˘ ABP

Για να κατανοήσουµε την απόδοση του πρωτοκόλλου εναλλασσοµένου bit και τις παραµέτρους που την επηρεάζουν, θα µελετήσουµε αρχικά την ειδική περίπτωση όπου δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς στο δίκτυο και στη συνέχεια την επίδραση των σφαλµάτων µεταφοράς.

4.2 ∆√ ¶ƒø∆√∫√§§√ ∂¡∞§§∞™™√ª∂¡√À BIT

107

Όταν δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς Ας υποθέσουµε ότι δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς κατά τη µετάδοση ενός πλαισίου ή της επιβεβαίωσης της λήψης του. Αν συµβολίσουµε µε S τον ελάχιστο χρόνο µεταξύ δύο διαδοχικών µεταδόσεων πλαισίων, τότε αυτός θα ισούται µε το άθροισµα του χρόνου µετάδοσης του πλαισίου (TRANSP) συν το χρόνο διάδοσης του πλαισίου (PROP) συν το χρόνο µετάδοσης της επιβεβαίωσης (TRANSA) συν το χρόνο διάδοσης της επιβεβαίωσης (PROP). Οι χρόνοι επεξεργασίας του πλαισίου και της επιβεβαίωσης θεωρήθηκαν, και συνήθως είναι, αµελητέοι (συγκρινόµενοι µε τους αντίστοιχους χρόνους µετάδοσης και διάδοσης). ∆ηλαδή, ο συνολικός χρόνος που απαιτείται για τη µεταφορά ενός πακέτου είναι: S = TRANSP + TRANSA + 2 ¥ PROP

(4.1)

Ο χρόνος S αναφέρεται συνήθως στη βιβλιογραφία ως ο χρόνος µετάβασης µετ’ επιστροφής (Round Trip Time – RTT). Έτσι λοιπόν, όταν δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς, ο αποστολέας θα µεταφέρει διαδοχικά ένα νέο πακέτο κάθε S δευτερόλεπτα. Από αυτά τα S δευτερόλεπτα, ο αποστολέας απασχολείται για τη µετάδοση του αντίστοιχου πλαισίου µόνο τα TRANSP. Οπότε, η απόδοση ηABP του πρωτοκόλλου επανεκποµπής ABP, όταν δεν γίνονται λάθη, ισούται µε hABP =

TRANSP S

(4.2)

¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 4.4 Έστω ότι δύο κόµβοι απέχουν µεταξύ τους 100 Km και συνδέονται µε µία οπτική ίνα. Γνωρίζουµε ότι σε µία συνήθη οπτική ίνα η ταχύτητα διάδοσης του σήµατος είναι ίση µε 2 ¥ 105 Km/s. Εάν το µέγεθος του πλαισίου δεδοµένων είναι 2048 bits, το µέγεθος του πλαισίου επιβεβαίωσης είναι 1024 bits, ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων στο δίκτυο είναι ίσος µε 64 Kbps και το κανάλι επικοινωνίας είναι πλήρως αξιόπιστο, τότε υπολογίστε την απόδοση του πρωτοκόλλου ABP. Ο χρόνος µετάδοσης ενός πλαισίου ισούται µε το µέγεθος του διαιρεµένο δια του ρυθµού µετάδοσης. Επίσης, ο χρόνος διάδοσης ενός bit κατά µήκος ενός καναλιού επικοινωνίας ισούται µε την απόστασή του διαιρεµένη µε την ταχύτητα διάδοσης του σήµατος. Από τις σχέσεις (4.2) και (4.1), θα έχουµε

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

108

hABP

2.048 0, 03125 65.536 = = ª 65% 2.048 1.024 100 0, 047875 + +2¥ 65.536 65.536 2 ¥ 105

∆ηλαδή, παρόλο που δεν έχουµε σφάλµατα µεταφοράς, έχουµε µία απώλεια απόδοσης περίπου 35%, η οποία οφείλεται στην αναµονή για την άφιξη των πλαισίων επιβεβαίωσης. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 4.2 Πώς αλλάζει η απόδοση του παραδείγµατος 4.4, όταν η απόσταση µεταξύ των κόµβων αυξηθεί στα 1.000 Km ή όταν ο ρυθµός µετάδοσης αυξηθεί στα 2 Mbps;

Όταν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς Έστω ότι p είναι η πιθανότητα να µεταφερθεί σωστά ένα πλαίσιο δεδοµένων στον παραλήπτη και να επιστρέψει χωρίς σφάλµατα η αντίστοιχη επιβεβαίωση λήψης στον αποστολέα. Τότε, η πιθανότητα απώλειας ενός πλαισίου κατά τη µεταφορά του στο δίκτυο θα ισούται µε 1 – p. Έστω επίσης ότι µε X συµβολίζουµε την τυχαία µεταβλητή που περιγράφει το χρόνο µεταξύ δύο διαδοχικών µεταδόσεων πακέτων στο δίκτυο. Όταν δεν υπάρχουν σφάλµατα τότε αυτός ισούται µε S (βλέπε σχέση (4.1)). Όταν υπάρχουν σφάλµατα, τότε ο αποστολέας αναµένει τη λήξη του χρόνου προθεσµίας T και µετά ξαναπροσπαθεί επαναµεταδίδοντας ένα αντίγραφο του πλαισίου. Αυτές οι καταστάσεις απεικονίζονται στο διάγραµµα του σχήµατος 4.5. Υπάρχουν δύο σηµεία στο σχήµα 4.5: η έναρξη και το τέλος της µετάδοσης ενός πακέτου, το οποίο τέλος ταυτόχρονα σηµαίνει και την έναρξη µετάδοσης του επόµενου πακέτου. Παρατηρούµε ότι, µε πιθανότητα p, ο αποστολέας θα µεταβεί από την έναρξη στο τέλος και η διάρκεια της αντίστοιχης µετάβασης θα είναι ίση µε S. Ανάλογα, µε πιθανότητα 1 – p, ο αποστολέας θα παραµείνει στην έναρξη και ο αντίστοιχος χρόνος αναµονής θα είναι ίσος µε T.

4.2 ∆√ ¶ƒø∆√∫√§§√ ∂¡∞§§∞™™√ª∂¡√À BIT

109

[T,1 - p] σφάλµα

επιτυχία Έναρξη

[S,p]

Tέλος ™¯‹Ì· 4.5

τυχαίος χρόνος X

Η συµπεριφορά του τυχαίου χρόνου που µεσολαβεί µεταξύ δύο διαδοχικών µεταδόσεων πακέτων στο πρωτόκολλο εναλλασσοµένου bit.

Με βάση τα παραπάνω, η µέση τιµή του τυχαίου χρόνου X που µεσολαβεί µεταξύ δύο διαδοχικών µεταδόσεων πακέτων στο πρωτόκολλο ABP δίδεται από τη σχέση E[ X ] = pS + (1 - p )(T + E[ X ]) ¤ E[ X ] = S + T

1- p p

(4.3)

∆ηλαδή, ο αποστολέας θα µεταδίδει, κατά µέσο όρο, ένα νέο πακέτο κάθε E[X] δευτερόλεπτα. Οπότε, παρουσία σφαλµάτων µεταφοράς, η απόδοση ηABP(p) του πρωτοκόλλου επανεκποµπής ABP ισούται µε hABP ( p ) =

TRANSP p ¥ TRANSP = E[ X ] pS + (1 - p )T

(4.4)

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 4.3 Έστω το δίκτυο δύο συνδέσµων του σχήµατος 4.6. Τα χαρακτηριστικά των συνδέσµων απεικονίζονται στο σχήµα, ενώ το µέγεθος του πλαισίου δεδοµένων έχει οριστεί στα 1024 bits και το µέγεθος του πλαισίου ACK στα 256 bits. Και στους δύο συνδέσµους εφαρµόζουµε το πρωτόκολλο επανεκποµπής ABP, έχοντας επιλέξει το χρόνο προθεσµίας ίσο µε τον αντίστοιχο χρόνο µετάβασης µετ’ επιστροφής (RTT). Ποια είναι η διαµετακοµιστική ικανότητα του καναλιού επικοινωνίας ΑΓ;

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

110

A

B

Γ

™¯‹Ì· 4.6

Το δίκτυο δύο συνδέσµων για την άσκηση αυτοαξιολόγησης 4.3.

128 Kbps‚ 2Km‚ ασύρµατη ζεύξη‚ 3¥105 Km/s‚ p = 0,9

10 Mbps‚ 100 Km‚ οπτική ίνα‚ 2¥105 Km/s‚ p=1

4.2.3 ∆Ô ÚˆÙfiÎÔÏÏÔ XMODEM

Το XMODEM είναι ένα πολύ απλό πρωτόκολλο Επιπέδου Σύνδεσης ∆εδοµένων, το οποίο µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την εγκαθίδρυση απευθείας επικοινωνίας δύο προσωπικών υπολογιστών µέσω modems. Το XMODEM υλοποιεί την τεχνική επανεκποµπής του εναλλασσοµένου bit. Αναπτύχθηκε από τον Ward Cristensen το 1977, ο οποίος και διένειµε δωρεάν τον πηγαίο κώδικά του. Έτυχε ευρείας αποδοχής και χρήσης και για πολλά χρόνια αποτέλεσε το σηµείο αναφοράς στα πρωτόκολλα του είδους.

1

1

128

1

CNUM

DATA

CKS

Η δοµή του πλαισίου XMODEM.

1

NUM

™¯‹Ì· 4.7

SOH

Bytes

Η δοµή του πλαισίου XMODEM απεικονίζεται στο σχήµα 4.7. Η αρχή της επικεφαλίδας (Start of Header, SOH) δηλώνεται µε τον ειδικό χαρακτήρα 0000001, ενώ ο επόµενος χαρακτήρας (NUM) περιέχει τον αριθµό του πλαισίου. Επειδή το µήκος του πεδίου NUM είναι 8 bits, η αρίθµηση των πλαισίων διενεργείται modulo 256. Για την προστασία του πεδίου NUM από σφάλµατα µεταφοράς, το πλαίσιο XMODEM έχει εφοδιαστεί µε το πεδίο CNUM, το οποίο περιέχει το συµπλήρωµα ως προς 1 του NUM, δηλαδή το χαρακτήρα που παίρνουµε αν αντιστρέψουµε όλα τα bits του NUM. Το πεδίο DATA είναι σταθερού µεγέθους (128 bytes) και περιέχει τα µεταφερόµενα δεδοµένα. Τέλος, το πεδίο CKS (checksum – άθροισµα ελέγχου) περιέχει το άθροισµα των 128 bytes του πεδίου DATA (modulo 256) και χρησιµοποιείται για την ανίχνευση σφαλµάτων µεταφοράς στο πεδίο δεδοµένων. Σε µία µεταγενέστερη έκδοση του XMODEM, το XMODEM – CRC, το άθροισµα ελέγχου έχει αντικατασταθεί µε έναν κώδικα κυκλικού πλεονασµού (Cyclic Redundancy Check, CRC) εύρους 16 – bit. Όταν ο παραλήπτης δε λαµβάνει δεδοµένα, τότε στέλνει ένα πλαίσιο αρνητικής επι-

4.2 ∆√ ¶ƒø∆√∫√§§√ ∂¡∞§§∞™™√ª∂¡√À BIT

111

βεβαίωσης (negative ACK – NACK) σε προκαθορισµένα χρονικά διαστήµατα, π.χ. κάθε 15 δευτερόλεπτα. Το πλαίσιο NACK περιέχει στα δεδοµένα του µόνο τον ειδικό χαρακτήρα 00010101. Όταν ο αποστολέας έχει να µεταφέρει δεδοµένα, τότε συντάσσει το αντίστοιχο πλαίσιο και περιµένει την άφιξη του εποµένου NACK για να αρχίσει τη µετάδοσή του, εκτός εάν έχει ήδη λάβει ACK για το τελευταίο πλαίσιο που στάλθηκε. Στο άκρο του παραλήπτη το ληφθέν πλαίσιο ελέγχεται ως προς την ορθότητά του και αντίστοιχα επιστρέφεται στον αποστολέα ένα πλαίσιο ACK (χαρακτήρας 00000110), εάν ήταν σωστό, ή ένα πλαίσιο NACK, εάν ήταν λανθασµένο. Αν ο αποστολέας λάβει ένα πλαίσιο ACK τότε µεταδίδει το επόµενο πακέτο. Αν λάβει ένα πλαίσιο NACK τότε µεταδίδει ένα αντίγραφο του ανεπιβεβαίωτου πακέτου. Βέβαια υπάρχει και η περίπτωση να χαθεί το πλαίσιο επιβεβαίωσης (θετικής ή αρνητικής, δεν έχει σηµασία). Σ’ αυτήν την περίπτωση ο παραλήπτης, αφού περιµένει για 15 δευτερόλεπτα, δε λαµβάνει δεδοµένα και γι’ αυτό ξαναστέλνει ένα πλαίσιο NACK. Παρατηρούµε ότι στο πρωτόκολλο XMODEM ο χρόνος προθεσµίας ελέγχεται στο άκρο του παραλήπτη και όχι του αποστολέα. Για να δηλωθεί το τέλος µετάδοσης των δεδοµένων, ο αποστολέας στέλνει τον ειδικό χαρακτήρα EOT (end of text – 00000100) και περιµένει την επιβεβαίωσή του. ∆ιάφορες παραλλαγές του πρωτοκόλλου XMODEM έχουν προταθεί και υλοποιηθεί, στοχεύοντας να βελτιώσουν την απόδοσή του πάνω από γραµµές µε υψηλό ρυθµό διαµεταγωγής αλλά και να προσθέσουν διάφορες χρήσιµες λειτουργίες (όπως π.χ. η µαζική αποστολή αρχείων). Από αυτές θα ξεχωρίσουµε τα πρωτόκολλα XMODEM – 1K και YMODEM (όπου το µέγεθος του πεδίου DATA αυξήθηκε στα 1024 bytes) και ZMODEM (όπου δεν απαιτείται η επιβεβαίωση λήψης για κάθε µεταφερόµενο πλαίσιο δεδοµένων).

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 4.3 Ένα πολύ δηµοφιλές πρωτόκολλο για επικοινωνία µέσω modems µεταξύ δύο υπολογιστών είναι το Kermit. Όπως και το XMODEM, τοποθετείται στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων και χρησιµοποιεί µία τεχνική επανεκποµπής πλαισίων παρόµοια µε την ABP. Είναι όµως πιο πολύπλοκο, αλλά περισσότερο αποδοτικό, από το XMODEM. Αφού αναζητήσετε στο ∆ιαδίκτυο υλικό σχετικό µε το πρωτόκολλο Kermit και το µελετήσετε, περιγράψτε συνοπτικά τη δοµή του πλαισίου του και τον τρόπο λειτουργίας του.

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

112

4.3 ∆Ô ÚˆÙfiÎÔÏÏÔ ÔÈÛıÔ¯ÒÚËÛ˘ ηٿ N

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· aÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτήν την ενότητα θα µπορείτε να : • περιγράψετε τον τρόπο λειτουργίας του πρωτοκόλλου οπισθοχώρησης κατά Ν (GBN), • εξηγήσετε γιατί το πρωτόκολλο GBN χαρακτηρίζεται ως πρωτόκολλο ολισθαίνοντος παραθύρου (sliding window protocol), • ορίσετε την αρνητική επιβεβαίωση λήψης και να περιγράψετε πώς µπορεί να βελτιώσει την αποδοτικότητα του πρωτοκόλλου GBN, • προσδιορίσετε την απόδοση του πρωτοκόλλου, τόσο κατά την απουσία σφαλµάτων µεταφοράς, όσο και κατά την ύπαρξη αυτών, • εξηγήσετε πώς µπορούµε να επιτύχουµε την µέγιστη απόδοση του 100%, όταν φυσικά δεν έχουµε σφάλµατα µεταφοράς, • αναφέρετε ένα πρωτόκολλο Σύνδεσης ∆εδοµένων που υλοποιεί την τεχνική επανεκποµπής πλαισίων GBN. Το πρωτόκολλο οπισθοχώρησης κατά Ν (GO BACK N – GBN) έχει βελτιωµένη απόδοση συγκρινόµενο µε το ABP, αλλά ταυτόχρονα εµφανίζει αυξηµένη πολυπλοκότητα. Η βασική λειτουργική τους διαφορά είναι ότι το πρωτόκολλο GBN επιτρέπει στον αποστολέα να έχει περισσότερα του ενός ανεπιβεβαίωτα πλαίσια υπό µεταφορά, ενώ το ABP επιτρέπει την ύπαρξη µόνο ενός ανεπιβεβαίωτου πλαισίου. Στην αρχή περιγράφουµε τον τρόπο λειτουργίας του πρωτοκόλλου GBN και στη συνέχεια αναλύουµε την απόδοσή του για την περίπτωση που δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς, αλλά και για την περίπτωση όπου υπάρχουν. Στο τέλος αυτής της Ενότητας περιγράφουµε το LAPB, ένα πρωτόκολλο Σύνδεσης ∆εδοµένων που χρησιµοποιείται στο δηµόσιο δίκτυο µεταγωγής δεδοµένων X.25 και υλοποιεί την τεχνική επανεκποµπής GO BACK N. 4.3.1 √ ÙÚfiÔ˜ ÏÂÈÙÔ˘ÚÁ›·˜ ÙÔ˘ ÚˆÙÔÎfiÏÏÔ˘ GO BACK N

Στο πρωτόκολλο οπισθοχώρησης κατά Ν, ο αποστολέας µπορεί να στείλει ένα πλήθος από πλαίσια δεδοµένων πριν λάβει την πρώτη επιβεβαίωση λήψης από τον παραλήπτη. Το πλήθος αυτών των ανεπιβεβαίωτων πλαισίων ονοµάζεται µέγεθος παραθύρου και συµβολίζεται µε W. Ο αποστολέας λοιπόν µεταδίδει τα πλαίσια µε αριθµό 0, 1, 2, …, W – 1 και µετά αναµένει, για κάποια προκαθορισµένη προθεσµία T, την άφιξη της αντίστοιχης επι-

4 . 3 ∆ √ ¶ ƒ ø ∆ √ ∫ √ § § √ √ ¶ π ™ £ O Ã ø ƒ ∏ ™ ∏ ™ ∫ ∞∆ ∞ N

113

βεβαίωσης λήψης για κάθε µεταφερόµενο πλαίσιο. Μόλις ο αποστολέας παραλάβει την επιβεβαίωση λήψης ACK – 0 για το πλαίσιο 0, τότε µεταδίδει το επόµενο πλαίσιο W. Ανάλογα, µόλις παραλάβει το ACK – 1, τότε αποστέλλει το πλαίσιο W + 1. Έτσι, φροντίζει κάθε στιγµή να βρίσκονται υπό µεταφορά ένα παράθυρο W ανεπιβεβαίωτων πλαισίων. Τι γίνεται όµως όταν ο αποστολέας δε λάβει µία επιβεβαίωση λήψης εντός της προθεσµίας T; Σ’ αυτήν την περίπτωση, ο αποστολέας µεταδίδει το αντίστοιχο παράθυρο µε πλαίσιο έναρξης το ανεπιβεβαίωτο πλαίσιο του οποίου έληξε ο χρόνος προθεσµίας. ∆ηλαδή, εάν ο αποστολέας δε λάβει, εντός προθεσµίας, επιβεβαίωση για το πλαίσιο n, τότε µεταδίδει ξανά τα πλαίσια n, n + 1, n + 2, …, n + W – 1. Η ίδια ακολουθία πλαισίων επαναµεταδίδεται και στην περίπτωση που ο αποστολέας λάβει επιβεβαίωση για το πλαίσιο n + 1 χωρίς να έχει λάβει την επιβεβαίωση λήψης του πλαισίου n. ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 4.5 Στο σχήµα 4.8 απεικονίζεται ένα σενάριο µετάδοσης πλαισίων, όταν το εφαρµοζόµενο πρωτόκολλο είναι το GO BACK N και το µέγεθος του παραθύρου έχει οριστεί σε W = 4 πλαίσια. Αρχικά ο αποστολέας µεταδίδει το παράθυρο των πλαισίων 0, 1, 2, 3. Τα πλαίσια αυτά φτάνουν χωρίς σφάλµατα στον παραλήπτη και παραδίδονται στο ανώτερο επίπεδο προς περαιτέρω επεξεργασία. Ταυτόχρονα, συντάσσονται τα αντίστοιχα πλαίσια επιβεβαίωσης λήψης και µεταδίδονται πίσω στον αποστολέα. Όταν ο αποστολέας λάβει τα πλαίσια ACK – 0 και ACK – 1, µεταδίδει τα επόµενα πλαίσια (4 και 5, αντίστοιχα) στο δίκτυο, τα οποία επίσης παραλαµβάνονται χωρίς πρόβληµα από τον παραλήπτη και προωθούνται µε τη σειρά τους για περαιτέρω επεξεργασία.

Παράδειγµα µετάδοσης πλαισίων µε χρήση του πρωτοκόλλου οπισθοχώρησης κατά Ν.

µετέδωσε όλα τα πλαίσια‚ από το 2 και µετά προθεσµία A

0 1 2 3

προθεσµία 4 5 2 3

4 5 6 7

4 5 6 7

Π παράδοση

παράδοση

απέρριψε αυτά‚ τα πακέτα‚ (εκτός σειράς)

™¯‹Ì· 4.8

παράδοση

απέρριψε αυτά‚ τα πακέτα‚ (εκτός σειράς)

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

114

Όµως, το πλαίσιο ACK – 2 αλλοιώνεται κατά τη µεταφορά του και έτσι εκπνέει η προθεσµία που έχει οριστεί για τη λήψη του. Αυτό, πυροδοτεί µία επανεκποµπή όλων των πλαισίων του παραθύρου από το πλαίσιο 2 και µετά, δηλαδή των πλαισίων 2, 3, 4 και 5. Τα πλαίσια 2, 3 και 5 φτάνουν χωρίς σφάλµατα στον παραλήπτη, ο οποίος όµως τα απορρίπτει καθώς έχουν ήδη προωθηθεί και βρίσκονται πλέον εκτός σειράς. Το πλαίσιο 4 αλλοιώνεται κατά τη µεταφορά του. Με την εκπνοή της προθεσµίας του, ο αποστολέας είναι υποχρεωµένος να µεταδώσει ξανά τα πλαίσια 4, 5, 6 και 7 στο δίκτυο, κ.ο.κ. Η µαζική µετάδοση ανεπιβεβαίωτων πλαισίων βελτιώνει την απόδοση του πρωτοκόλλου GBN έναντι του ABP. Στο παράδειγµά µας, εάν είχαµε εφαρµόσει το πρωτόκολλο ABP, θα είχαµε µεταδώσει µόλις 3 πλαίσια στον ίδιο χρόνο, δεχόµενοι µάλιστα ότι δε θα υπήρχαν σφάλµατα µεταφοράς.

ÕÛÎËÛË a˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 4.4 Για τη βελτίωση του πρωτοκόλλου GBN µπορούν να χρησιµοποιηθούν οι αρνητικές επιβεβαιώσεις (negative ACKs – NACKs). Όταν ο παραλήπτης αντιληφθεί ένα κενό στην αρίθµηση των ληφθέντων πλαισίων, τότε συντάσσει ένα πλαίσιο NACK, το οποίο αριθµείται µε τον αριθµό του απολεσθέντος πλαισίου και το µεταδίδει πίσω στον αποστολέα. Όταν ο αποστολέας λάβει την αρνητική επιβεβαίωση, αναµεταδίδει το παράθυρο, από το πλαίσιο που δηλώθηκε µε το NACK και µετά, χωρίς να χρειάζεται να περιµένει την εκπνοή του αντίστοιχου χρόνου προθεσµίας.

™¯‹Ì· 4.9

Η ακολουθία µεταδόσεων πλαισίων για την άσκηση αυτοαξιολόγησης 4.4.

Στο σχήµα 4.9 παρουσιάζεται µία ακολουθία µεταδόσεων πλαισίων. Υποθέτοντας ότι δε θα υπάρξουν µελλοντικά άλλα σφάλµατα µετάδοσης, ολοκληρώστε το σχήµα γνωρίζοντας ότι στο σύνδεσµο υλοποιείται (α) το σχήµα επανεκποµπής GBN και (β) το GBN µε αρνητικές επιβεβαιώσεις. Και στις δύο περιπτώσεις το µέγεθος παραθύρου έχει οριστεί ίσο µε 5.

A 0 1 2 3 4

Π

προθεσµία

4 . 3 ∆ √ ¶ ƒ ø ∆ √ ∫ √ § § √ √ ¶ π ™ £ √ Ã ø ƒ ∏ ™ ∏ ™ ∫ ∞∆ ∞ N

115

4.3.2 ∏ ·fi‰ÔÛË ÙÔ˘ ÚˆÙÔÎfiÏÏÔ˘ GO BACK N

Αρχικά θα εξετάσουµε την περίπτωση όπου δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς στο δίκτυο και στη συνέχεια τη γενικότερη περίπτωση όπου τα πλαίσια αλλοιώνονται κατά τη µεταφορά τους. Όταν δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς Έστω S ο χρόνος που απαιτείται µεταξύ της έναρξης της µετάδοσης ενός πλαισίου και της άφιξης της αντίστοιχης επιβεβαίωσης. Υπενθυµίζουµε ότι, απουσία σφαλµάτων µεταφοράς, ο χρόνος αυτός δίδεται από τη σχέση S = TRANSP + TRANSA +2 ¥ PROP

(4.5)

όπου TRANSP είναι ο χρόνος µετάδοσης του πλαισίου, TRANSA είναι ο χρόνος µετάδοσης της επιβεβαίωσης και PROP είναι ο χρόνος διάδοσης του πλαισίου, αλλά και της επιβεβαίωσης. Στο πρωτόκολλο GBN, ο αποστολέας µεταδίδει αρχικά τα πλαίσια 0, 1, 2, …, W – 1 και αναµένει την επιβεβαίωση του πλαισίου 0, η οποία φτάνει µετά από S δευτερόλεπτα. Στη συνέχεια, µεταδίδει το πλαίσιο W, η επιβεβαίωση του οποίου φτάνει επίσης µετά από S δευτερόλεπτα. Το ίδιο και µε το πλαίσιο W + 1, αλλά και µε όλα τα µεταβιβαζόµενα πλαίσια. Έτσι, παρατηρούµε ότι κάθε S δευτερόλεπτα, ο αποστολέας µεταδίδει W πλαίσια. Οπότε, η απόδοση του πρωτοκόλλου GBN είναι ίση µε W ¥ TRANSP S Στην παραπάνω ανάλυση κάναµε τη σιωπηρή αποδοχή ότι ο S ≥ W ¥ TRANSP, δηλαδή ότι ο χρόνος που απαιτείται για να φτάσει η επιβεβαίωση του πρώτου ανεπιβεβαίωτου πλαισίου ενός παραθύρου είναι ίσος ή µεγαλύτερος από το συνολικό χρόνο µετάδοσης των πλαισίων του παραθύρου. Εάν αυτό δεν ισχύει, δηλαδή όταν S < W ¥ TRANSP, τότε ο αποστολέας στέλνει συνεχώς πλαίσια στο δίκτυο, οπότε η απόδοση του πρωτοκόλλου GBN είναι ίση µε 100%. Συνοψίζοντας, η απόδοση ηGBN του πρωτοκόλλου GBN, όταν δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς, δίδεται από τη σχέση Ï W ¥ TRANSP ¸ ˝ S ˛ Ó

hGBN = min Ì1,

(4.6)

¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 4.6 Έστω ότι δύο κόµβοι απέχουν µεταξύ τους 100 Km και συνδέονται µε µία οπτική

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

116

ίνα. Εάν το µέγεθος του πλαισίου δεδοµένων είναι 1024 bits, το µέγεθος του πλαισίου επιβεβαίωσης είναι 256 bits, ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων στο δίκτυο είναι ίσος µε 34 Mbps και το κανάλι επικοινωνίας είναι πλήρως αξιόπιστο, τότε υπολογίστε την απόδοση του πρωτοκόλλου GBN και συγκρίνετέ την µ’ αυτή του ABP. Οι χρόνοι µετάδοσης πλαισίου TRANSP και µετάβασης µετ’ επιστροφής S είναι ίσοι µε TRANSP = S=

1.024 ª 0, 029 msec 34 ¥ 1.024 ¥ 1.024

1.024 256 100 + +2¥ ª 1, 036 msec 34 ¥ 1.024 ¥ 1.024 34 ¥ 1.024 ¥ 1.024 2 ¥ 105

Από τη σχέση (4.2) υπολογίζουµε ότι η απόδοση του ABP είναι hABP =

0, 029 ª 2, 8% . 1, 036

Επίσης, για µέγεθος παραθύρου W, η απόδοση του πρωτοκόλλου GBN είναι Ï W ¥ 0, 029 ¸ ˝ 1, 036 ˛ Ó

hGBN = min Ì1,

Από την παραπάνω σχέση διαπιστώνουµε ότι, εφαρµόζοντας το πρωτόκολλο GBN µε W = 2, η απόδοση του δικτύου αυξάνει σε 5,6%. Όσο µεγαλύτερο επιλέγεται το µέγεθος του παραθύρου, τόσο βελτιωµένη εµφανίζεται η απόδοση. Έτσι, µπορεί να επιτευχθεί ακόµα και η βέλτιστη απόδοση του 100%, επιλέγοντας µέγεθος παραθύρου ίσο µε 36. Όταν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς Το διάγραµµα καταστάσεων του σχήµατος 4.10 απεικονίζει την τυχαία εξέλιξη του πρωτοκόλλου GO BACK N, όπου η κατάσταση n αντιπροσωπεύει την έναρξη της µετάδοσης µιας ακολουθίας n πακέτων. Εάν p είναι η πιθανότητα να µεταφερθεί σωστά ένα πλαίσιο δεδοµένων και η αντίστοιχη επιβεβαίωσή του, τότε το οριζόντιο βέλος από την κατάσταση n στην κατάσταση n – 1 υποδηλώνει ότι ο αποστολέας µεταβίβασε µε επιτυχία ένα πλαίσιο και, µετά από χρόνο TRANSP, επιχειρεί τη µετάδοση µιας ακολουθίας n – 1 πακέτων. Αντίστοιχα, το κυκλικό βέλος υποδηλώνει ότι, µε πιθανότητα 1 – p, το πλαίσιο δεδοµένων ή το πλαίσιο επιβεβαίωσης υπέστησαν αλλοίωση κατά τη µεταφορά τους και έτσι, µετά από την εκπνοή της προθεσµίας T, ο αποστολέας επιχειρεί ξανά τη µετάδοση της ακολουθίας των n πακέτων.

4 . 3 ∆ √ ¶ ƒ ø ∆ √ ∫ √ § § √ √ ¶ π ™ £ O Ã ø ƒ ∏ ™ ∏ ™ ∫ ∞∆ ∞ N

[T,1 - p]

117

[T,1 - p]

σφάλµα

[T,1 - p]

σφάλµα

σφάλµα ™¯‹Ì· 4.10

επιτυχία n

Η εξέλιξη του πρωτοκόλλου GO BACK N, όπου η κατάσταση n αντιπροσωπεύει την έναρξη της µετάδοσης µιας ακολουθίας n πακέτων.

επιτυχία

[TRANSP, p]

[TRANSP, p]

n -1

n -2

τυχαίος χρόνος X

Αντίστοιχη είναι η ερµηνεία της συµπεριφοράς του πρωτοκόλλου όταν ξεκινά τη µετάδοση της ακολουθίας των n – 1 πακέτων, αλλά και σε όλες τις υπόλοιπες καταστάσεις. Οπότε, η µέση τιµή E[X] του τυχαίου χρόνου που µεσολαβεί µεταξύ δύο διαδοχικών µεταδόσεων πακέτων, δηλαδή για τη µετάβαση από την κατάσταση n στην κατάσταση n – 1, για οποιοδήποτε n, δίδεται από τη σχέση E[ X ] = p ¥ TRANSP + (1 - p )(T + E[ X ]) ¤ E[ X ] = TRANSP + T

1- p p

(4.7)

Και επειδή ο χρήσιµος χρόνος είναι αυτός της µετάδοσης του πλαισίου, η απόδοση του πρωτοκόλλου επανεκποµπής GO BACK N ισούται µε hGBN ( p ) =

TRANSP = E[ X ]

TRANSP 1- p TRANSP + T p

(4.8)

Εάν επιλέξουµε το χρόνο προθεσµίας T να είναι ίσος µε εκείνη την τιµή του χρόνου µετάβασης µετ’ επιστροφής που δίδει τη µέγιστη απόδοση του 100% απουσία σφαλµάτων µεταφοράς, δηλαδή εάν επιλέξουµε T = W ¥ TRANSP τότε η απόδοση ηGBN (p) εκφράζεται ως ακολούθως hGBN ( p ) =

1 1- p 1 +W p

(4.9)

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

118

4.3.3 ∂Ê·ÚÌÔÁ‹ Ù˘ Ù¯ÓÈ΋˜ GBN ÛÙ· ‰ËÌfiÛÈ· ‰›ÎÙ˘· ‰Â‰ÔÌ¤ÓˆÓ Ã.25

Πριν από την εµφάνιση του ∆ιαδικτύου, το δηµόσιο δίκτυο δεδοµένων Χ.25 αποτελούσε µία οικονοµική εναλλακτική λύση στα µισθωµένα κυκλώµατα για την υλοποίηση υπηρεσιών ανταλλαγής δεδοµένων, καθώς ο συνδροµητής χρεωνόταν αναλογικά της χρήσης του. Μετά την καθολική αποδοχή του ∆ιαδικτύου, η χρήση των δηµοσίων δικτύων δεδοµένων έχει αισθητά ατονήσει. Το Χ.25 αποτελεί σύσταση του διεθνούς οργανισµού τυποποίησης για τις τηλεπικοινωνίες ITU – T και προδιαγράφει τη διεπαφή µεταξύ των χρηστών – συνδροµητών και του δηµοσίου δικτύου δεδοµένων και τα πρωτόκολλα που χρησιµοποιούνται στα Επίπεδα 1, 2 και 3 κατά τη µεταξύ τους επικοινωνία. Η πρώτη µορφή της σύστασης Χ.25 δηµιουργήθηκε το 1976 και έκτοτε αναθεωρείται περιοδικά. Σηµαντικές βελτιώσεις του Χ.25 αναπτύχθηκαν µέχρι το 1984, οπότε έλαβε και τη σηµερινή µορφή του. Στο Επίπεδο ∆ικτύου το Χ.25 χρησιµοποιεί το πρωτόκολλο PLP (packet – layer protocol). Επίσης, στο Φυσικό Επίπεδο του δικτύου Χ.25 χρησιµοποιούνται ένα πλήθος τυποποιηµένων διασυνδέσεων, µε ευρύτερα χρησιµοποιούµενες τις X.21bis, EIA/TIA – 232 και G.703. Στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων, το πρωτόκολλο που χρησιµοποιείται είναι το LAPB (link access protocol, Balanced). Το πλαίσιο του LAPB είναι παρόµοιο µ’ αυτό του πρωτοκόλλου HDLC που παρουσιάσαµε στην Ενότητα 3.1.2 (βλέπε σχήµα 4.11). Η επικεφαλίδα (address + control) και το πεδίο CRC έχουν µήκος 16 bits, και κατά τη µετάδοση του πλαισίου χρησιµοποιείται επίσης η τεχνική της προσθήκης bit για την αποφυγή εµφάνισης των ειδικών ακολουθιών ελέγχου (flags) µέσα στα δεδοµένα του πλαισίου. bits 8

8

8

µεταβλητό

16

8

Flag

address

control

δεδοµένα

CRC

Flag

πακέτο PLP{ ™¯‹Ì· 4.11

Η δοµή του πλαισίου LAPB.

‚ πλαίσιο LAPB{

4 . 3 ∆ √ ¶ ƒ ø ∆ √ ∫ √ § § √ √ ¶ π ™ £ √ Ã ø ƒ ∏ ™ ∏ ™ ∫ ∞∆ ∞ N

119

Υπάρχουν τριών ειδών πλαίσια: τα τύπου – I, τα τύπου – S και τα τύπου – U. Τα πλαίσια τύπου – I (information frames), µεταφέρουν τα δεδοµένα της επικοινωνίας και µερικές πληροφορίες ελέγχου. Τα πλαίσια τύπου – S (supervisory frames) και τα πλαίσια τύπου – U (unnumbered frames) µεταφέρουν µόνο πληροφορίες ελέγχου. Το πρωτόκολλο LAPB χρησιµοποιεί την τεχνική επανεκποµπής GO BACK N µε θετικές και αρνητικές επιβεβαιώσεις, ενώ το µέγεθος του παραθύρου µπορεί να πάρει τιµή από 1 έως 8. Οι απαραίτητες πληροφορίες αρίθµησης των πλαισίων και των επιβεβαιώσεων περιέχονται µόνο στα πλαίσια τύπου – I και τύπου – S και συγκεκριµένα στο πεδίο ελέγχου αυτών. Η µορφή του πεδίου ελέγχου του πλαισίου LAPB παρουσιάζεται στο σχήµα 4.12. Όπως παρατηρούµε στο σχήµα 4.12, σε κάθε πλαίσιο δεδοµένων (που, εξ ορισµού, είναι τύπου – I) υπάρχει το πεδίο Ns, εύρους 3 bits, στο οποίο καταχωρείται ο αριθµός του πλαισίου modulo 8. Bits πεδίου ελέγχου TYΠOΣ‚ ‚ ‚ Information‚ ‚ ‚ Supervisory‚ ‚ Frames

ENTOΛH‚ ‚ ‚ I

AΠOKPIΣH

RR

RR

1

0

0

RNR

RNR

1

0

REJ

REJ

1

SAMB DISC Unnumbered‚ ‚ Frames

PR¡ RNR¡ REJ¡ SAMB¡ ¡

1

2

3

4

5

6

7

8

P

Nr

0

P/F

Nr

1

0

P/F

Nr

0

0

1

P/F

Nr

1

1

1

1

P

1

0

0

1

1

0

0

P

0

1

0

DM

1

1

1

1

F

0

0

0

UA

1

1

0

0

F

1

1

0

FRMR

1

1

1

0

F

0

0

1

0

: Receive Ready‚ : Receive Not Ready‚ : Reject‚ : Set Asynchronous‚ Balanced Mode

Ns

DISC¡ DM¡ UA¡ FRMR¡ P/F¡

: Disconnect‚ : Disconnect Mode‚ : Unnumbered ACK‚ : Frame Reject‚ : Poll/Final ™¯‹Ì· 4.12

Η µορφή του πεδίου ελέγχου του πλαισίου LAPB.

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

120

Όµως, στο πλαίσιο τύπου – I υπάρχει και ένας ακόµα απαριθµητής, ο Nr, ο οποίος καταλαµβάνει τα bits 6, 7 και 8 του πεδίου ελέγχου. Ποια θα µπορούσε άραγε να είναι η χρήση του; Λοιπόν, αυτός ο απαριθµητής χρησιµοποιείται για την υλοποίηση της εµβόλιµης επιβεβαίωσης λήψης (piggy – backing), µιας τεχνικής που αναφέραµε στην ενδεικτική απάντηση της ∆ραστηριότητας 4.2. Συγκεκριµένα, η τιµή του υπολογίζεται µε την πρόσθεση µίας µονάδας στην τιµή που είχε ο απαριθµητής Ns στο τελευταίο πλαίσιο δεδοµένων που ελήφθη. Έτσι, ο κόµβος που αποστέλλει το πλαίσιο – I ενηµερώνει τον απέναντί του κόµβο, ότι έχει παραλάβει επιτυχώς το πλαίσιο µε αριθµό Nr – 1 και ότι, τώρα αναµένει το πλαίσιο δεδοµένων µε αριθµό Nr. Εκτός της εµβόλιµης επιβεβαίωσης λήψης, το LAPB διαθέτει και ξεχωριστά πλαίσια επιβεβαίωσης, θετικής ή αρνητικής, τα οποία υλοποιούνται µε πλαίσια τύπου – S. Συγκεκριµένα, το πλαίσιο RR (receive ready) επιβεβαιώνει τον αποστολέα, ότι έχει ληφθεί χωρίς σφάλµατα το πλαίσιο µε αριθµό Nr – 1 και ότι ο παραλήπτης µπορεί να δεχθεί το επόµενο πλαίσιο. Το πλαίσιο RNR (receive not ready) επιβεβαιώνει επίσης τον αποστολέα για την ορθή λήψη του πλαισίου Nr – 1, αλλά ταυτόχρονα τον ενηµερώνει ότι ο απέναντι κόµβος δεν µπορεί να δεχθεί άλλο πλαίσιο. Αυτή η κατάσταση αδυναµίας λήψης τερµατίζεται µε την αποστολή πλαισίου RR. Επίσης, το πλαίσιο REJ είναι ένα πλαίσιο NACK και η λήψη του από τον αποστολέα πυροδοτεί µία µαζική µετάδοση πλαισίων από το Nr και µετά. Τέλος, τα πλαίσια τύπου – U µεταφέρουν πληροφορίες που απαιτούνται για την εγκαθίδρυση και τον τερµατισµό των λογικών καναλιών επικοινωνίας µεταξύ αποστολέα και παραλήπτη κόµβου. 4.4 ∆Ô ÚˆÙfiÎÔÏÏÔ ÂÈÏÂÎÙÈ΋˜ Â·Ó¿Ï˄˘

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτήν την ενότητα θα µπορείτε να : • περιγράψετε τον τρόπο λειτουργίας του πρωτοκόλλου επιλεκτικής επανάληψης (SRP), • προσδιορίσετε τα κοινά χαρακτηριστικά των πρωτοκόλλων SRP και GBN, αλλά και τις µεταξύ τους διαφορές, • εξηγήσετε πώς περιορίζουµε το µέγιστο αριθµό πλαισίων που ενδέχεται να χρειαστούν προσωρινή αποθήκευση στον παραλήπτη κατά την εφαρµογή του SRP, • περιγράψετε τον τρόπο αρίθµησης των πλαισίων στο πρωτόκολλο SRP, • προσδιορίσετε την απόδοση του πρωτοκόλλου, τόσο κατά την απουσία σφαλµά-

4.4 ∆√ ¶ƒø∆√∫√§§√ ∂¶π§∂∫∆π∫∏™ ∂¶∞¡∞§∏æ∏™

των µεταφοράς, όσο και κατά την ύπαρξη αυτών, • κατατάξετε τα πρωτόκολλα ABP, GBN και SRP ως προς την πολυπλοκότητά τους και ως προς την απόδοσή τους. Όπως το πρωτόκολλο GBN, έτσι και το πρωτόκολλο επιλεκτικής επανάληψης (selective repeat protocol – SRP) επιτρέπει στον αποστολέα να έχει ένα πλήθος ανεπιβεβαίωτων πλαισίων υπό µεταφορά. Σύµφωνα µε όσα είδαµε στην Ενότητα 4.3, το πρωτόκολλο GBN µπορεί να µεταδώσει πλαίσια που παρεδόθησαν στον παραλήπτη χωρίς σφάλµατα µεταφοράς και τα οποία έχουν ήδη επιβεβαιωθεί εντός του χρόνου προθεσµίας. Για παράδειγµα, εάν το πλαίσιο 1 αλλοιωθεί κατά τη µεταφορά του, ενώ τα πλαίσια 2, 3,…, W και οι αντίστοιχες επιβεβαιώσεις τους παραδοθούν σωστά, τότε ο αποστολέας είναι υποχρεωµένος να µεταδώσει όλα τα πλαίσια από την αρχή. Αυτές οι επαναµεταδόσεις, οι οποίες επιβραδύνουν την απόδοση του πρωτοκόλλου GBN, δεν υπάρχουν στο πρωτόκολλο επιλεκτικής επανάληψης. Αντίθετα, όπως άλλωστε δηλώνει και το όνοµά του, το πρωτόκολλο SRP επαναλαµβάνει επιλεκτικά µόνο εκείνες τις µεταδόσεις για τις οποίες δεν υπάρχει εµπρόθεσµη επιβεβαίωση λήψης. 4.4.1 √ ÙÚfiÔ˜ ÏÂÈÙÔ˘ÚÁ›·˜ ÙÔ˘ ÚˆÙÔÎfiÏÏÔ˘ SRP

Όπως και στα προαναφερθέντα πρωτόκολλα επανεκποµπής, το πρωτόκολλο επιλεκτικής επανάληψης βασίζεται στους µηχανισµούς επιβεβαίωσης λήψης και χρόνου προθεσµίας και επιτρέπει περισσότερα από ένα ανεπιβεβαίωτα πλαίσια να βρίσκονται κάθε στιγµή υπό µεταφορά. Επίσης, χρησιµοποιεί έναν ενταµιευτή στον αποστολέα, για να αποθηκεύει προσωρινά τα ανεπιβεβαίωτα πλαίσια. Σ’ αυτό που διαφέρει είναι στο ότι χρησιµοποιεί προσωρινό ενταµιευτή και στον παραλήπτη κόµβο, στον οποίο αποθηκεύονται τα πλαίσια που λαµβάνονται εκτός σειράς, µέχρις ότου έρθει η στιγµή για να προωθηθούν προς περαιτέρω επεξεργασία. Και αυτή η στιγµή έρχεται, όταν ο παραλήπτης λαµβάνει τα πλαίσια που έλειπαν από την επιθυµητή διάταξη. Έστω ότι W είναι το µέγεθος παραθύρου του πρωτοκόλλου και T είναι ο χρόνος προθεσµίας. Επίσης, δεχόµαστε ότι τα πακέτα αριθµούνται κατ’ αύξουσα διάταξη (0, 1, 2, 3, κ.ο.κ.), ανάλογα µε το χρόνο άφιξης στον αποστολέα. Τότε, το πρωτόκολλο SRP λειτουργεί µε βάση τους ακόλουθους κανόνες: 1. Ο αποστολέας αποθηκεύει αντίγραφα των ανεπιβεβαίωτων πλαισίων. Εάν, για κάποιο ανεπιβεβαίωτο πλαίσιο, δε λάβει την επιβεβαίωση λήψης του µέσα σε χρόνο T, τότε το επαναµεταδίδει.

121

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

122

2. Ο αποστολέας µπορεί να αποθηκεύει προσωρινά µέχρι W ανεπιβεβαίωτα πλαίσια. 3. Σε οποιαδήποτε αυθαίρετη χρονική στιγµή, ας συµβολίσουµε µε L το µεγαλύτερο εκείνο ακέραιο για τον οποίο ισχύει ότι ο αποστολέας έχει λάβει όλες τις επιβεβαιώσεις για τα πλαίσια 0, 1, 2,…, L. Εκείνη τη χρονική στιγµή, ο αποστολέας επιτρέπεται να µεταδώσει µόνο τα πλαίσια L + 1, L + 2,…, L + W. 4. Ο παραλήπτης επιβεβαιώνει όλα τα πλαίσια που λαµβάνει χωρίς σφάλµατα. Εάν βρίσκονται εκτός σειράς, τα αποθηκεύει προσωρινά µέχρις ότου φτάσουν τα πλαίσια που λείπουν από τη διάταξη, οπότε και τα παραδίδει µε τη σωστή σειρά για περαιτέρω επεξεργασία. 5. Σε οποιαδήποτε αυθαίρετη χρονική στιγµή, ας συµβολίσουµε µε R το µεγαλύτερο εκείνο ακέραιο για τον οποίο ισχύει ότι ο παραλήπτης έχει λάβει σωστά τα πλαίσια 0, 1, 2,…, R. Εκείνη τη χρονική στιγµή, ο παραλήπτης µπορεί να λάβει ένα πλαίσιο µε αριθµό διάταξης που να ανήκει στο σύνολο {R – (W – 1), R – (W – 2), …, R, R + 1, …, R + W}. Εάν το ληφθέν πλαίσιο έχει αριθµό διάταξης στο σύνολο {R – (W – 1), R – (W – 2), …, R}, τότε επιβεβαιώνει απλώς τη λήψη του και καταστρέφει το πλαίσιο. Εάν το ληφθέν πλαίσιο είναι ένα από τα {R + 1, R + 2, …, R + W} τότε το αποθηκεύει, εάν βρίσκεται εκτός διάταξης, ή το παραδίδει, εάν συµπληρωθεί η απαιτούµενη διάταξη. Έτσι, ο παραλήπτης πρέπει να είναι σε θέση να αποθηκεύει µέχρι W – 1 πλαίσια που φτάνουν εκτός διάταξης. Εάν το πρωτόκολλο δεν ακολουθεί τον κανόνα 3, τότε ο παραλήπτης µπορεί να χρειαστεί να αποθηκεύσει έναν αυθαίρετα µεγάλο αριθµό πλαισίων, παραβιάζοντας έτσι τον κανόνα 5 και θέτοντας σε αµφισβήτηση τη δυνατότητα υλοποίησης του πρωτοκόλλου. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 4.5 Στο σχήµα 4.13 περιγράφεται ένα σενάριο µετάδοσης πλαισίων, όταν το εφαρµοζόµενο πρωτόκολλο είναι το SRP και το µέγεθος του παραθύρου έχει οριστεί σε W = 4 πλαίσια. Κάτω από την οριζόντια γραµµή του παραλήπτη απεικονίζεται ο προσωρινός ενταµιευτής του µε τα περιεχόµενά του. ∆ιαπιστώνετε κανένα λάθος σ’ αυτό το σενάριο; Αν ναι, πώς θα τροποποιούσατε την ακολουθία των µεταδόσεων έτσι ώστε να είναι συµβατή µε τους κανόνες του SRP;

Η αρίθµηση πλαισίων στο πρωτόκολλο SRP Μία σηµαντική λεπτοµέρεια υλοποίησης του πρωτοκόλλου SRP αφορά, την αρίθµηση των πλαισίων δεδοµένων και των αντίστοιχων πλαισίων επιβεβαίωσης. Υπεν-

4.4 ∆√ ¶ƒø∆√∫√§§√ ∂¶π§∂∫∆π∫∏™ ∂¶∞¡∞§∏æ∏™

123

θυµίζουµε ότι για εξοικονόµηση χώρου στις επικεφαλίδες των πλαισίων, η αρίθµησή τους διενεργείται modulo κάποιου αριθµού K, δηλαδή στο πλαίσιο καταχωρείται το υπόλοιπο της διαίρεσης του απαριθµητή του πακέτου δια τον αριθµό K. Εάν ο αποστολέας και ο παραλήπτης κόµβος ακολουθούν τους κανόνες 1 – 5 της Ενότητας 4.4.1, τότε, σε κάθε χρονική στιγµή, ο παραλήπτης µπορεί να λάβει ένα πλαίσιo µε αριθµό διάταξης που να ανήκει στο σύνολο {R – (W – 1), R – (W – 2), …, R, R + 1, …, R + W}, όπου R είναι ο αριθµός του τελευταίου πακέτου που παραδόθηκε από τον παραλήπτη και W είναι το µέγεθος του εφαρµοζόµενου παραθύρου. Οπότε, στο πρωτόκολλο επιλεκτικής επανάληψης, για να µην προκαλείται σύγχυση στον παραλήπτη, τα πλαίσια πρέπει να αριθµούνται modulo 2W, όπου W είναι το µέγεθος του παραθύρου. ∆ηλαδή, τα πλαίσια πρέπει να αριθµούνται 0, 1, 2, …, 2W – 1.

Το σενάριο µετάδοσης πλαισίων για την άσκηση αυτοαξιολόγησης 4.5.

προθεσµία προθεσµία

προθεσµία A

0 1 2 3

4 1 2 5

6 7 8 9

™¯‹Ì· 4.13

6 10 11 12

Π

0

3 2 2

παράδοση

1 4 4 3 3 2 2 2 5

6 9 8 7 10 1112

απόρριψη

παράδοση‚ (µε τη σωστή σειρά)

9 8 8 7 7 7

παράδοση‚ (µε τη σωστή σειρά)

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 4.4 Σκιαγραφείστε ένα σενάριο µετάδοσης πλαισίων, στο οποίο θα απεικονίζεται η λανθασµένη λειτουργία του πρωτοκόλλου SRP, όταν η αρίθµηση των πλαισίων του γίνεται µε ένα σύνολο απαριθµητών µικρότερο του ικανού.

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

124

4.4.2 ∏ ·fi‰ÔÛË ÙÔ˘ ÚˆÙÔÎfiÏÏÔ˘ SRP

Όταν δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς, ακολουθώντας τα ίδια βήµατα ανάλυσης µε αυτά της Ενότητας 4.3.2, διαπιστώνουµε ότι η απόδοση του πρωτοκόλλου SRP είναι ίδια µ’ αυτή του πρωτοκόλλου GBN. Έτσι λοιπόν, η απόδοση ηSRP του πρωτοκόλλου SRP, απουσία σφαλµάτων µεταφοράς, δίδεται από τη σχέση Ï W ¥ TRANSP ¸ ˝ S Ó ˛

hSRP = min Ì1,

(4.10)

όπου W είναι το µέγεθος παραθύρου, TRANSP είναι ο χρόνος µετάδοσης του πλαισίου δεδοµένων και S είναι ο χρόνος που µεσολαβεί από τη µετάδοση ενός πλαισίου µέχρι τη λήψη της επιβεβαίωσής του. Όταν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς, ο προσδιορισµός της απόδοσης του πρωτοκόλλου SRP είναι αρκετά περίπλοκος και βρίσκεται εκτός των σκοπών του παρόντος κειµένου. Υπό την ισχύ κάποιων γενικών παραδοχών, η απόδοση του SRP µπορεί να εκφραστεί σε κλειστή µορφή. Συγκεκριµένα, εάν υποθέσουµε ότι τα λάθη είναι σπάνια, δηλαδή ότι (1 – p) W ≤ 10% όπου p είναι η πιθανότητα να µεταφερθεί σωστά ένα πλαίσιο δεδοµένων και η αντίστοιχη επιβεβαίωσή του και ο χρόνος προθεσµίας T είναι ίσος µε εκείνη την τιµή του χρόνου µετάβασης µετ’ επιστροφής που δίδει τη µέγιστη απόδοση του 100% απουσία σφαλµάτων µεταφοράς, δηλαδή ότι T = W ¥ TRANSP

(4.11)

τότε, µπορεί να αποδειχθεί ότι η απόδοση ηSRP(p) δίδεται προσεγγιστικά από την ακόλουθη σχέση hSRP ( p ) ª

2 + (1 - p )(W - 1) 2 + (1 - p )(3W - 1)

(4.12)

Για την απόδειξη της σχέσης (4.12), ο αναγνώστης παραπέµπεται στο βιβλίο του Walrand (1997), σελ. 180. Για παράδειγµα, εάν κατά τη µετάβαση δεδοµένων διαµέσου ενός συνδέσµου ισχύουν οι παραδοχές (4.11) και p = 0,995, ενώ έχουµε επιλέξει το µέγεθος παραθύρου W = 20, τότε από τις σχέσεις (4.12) και (4.9) υπολογίζουµε αντίστοιχα ότι ηSRP(p) ≈ 91,3% και ηGBN(p) ≈ 90,9% . ∆ηλαδή, η απόδοση του πρωτοκόλλου SRP

4.4 ∆√ ¶ƒø∆√∫√§§√ ∂¶π§∂∫∆π∫∏™ ∂¶∞¡∞§∏æ∏™

125

εµφανίζεται βελτιωµένη σε σχέση µε την απόδοση του πρωτοκόλλου GBN, κάτι που αναµέναµε άλλωστε να ισχύει. Και φυσικά, οι δύο παραπάνω αποδόσεις είναι συντριπτικά καλύτερες από αυτή του πρωτοκόλλου ABP (ηABP(p) ≈ 5% ). ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 4.6 Είναι σωστό ή λάθος ότι: Σωστό

Λάθος

Ο παραλήπτης κόµβος πρέπει να παραδώσει τα πακέτα στο Επίπεδο ∆ικτύου µε την ίδια σειρά µε την οποία αυτά δόθηκαν στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων του αποστολέα.

❏

❏

Και στα τρία πρωτόκολλα (ABP, GBN και SRP), ο αποστολέας πρέπει να είναι εξοπλισµένος µ’ έναν ενταµιευτή. Το ίδιο ισχύει και για τον παραλήπτη, αλλά µόνο στο πρωτόκολλο GBN.

❏

❏

Ο συνδυασµός µικρού µεγέθους πλαισίου, υψηλού ρυθµού µετάδοσης και µεγάλου χρόνου διάδοσης είναι καταστροφικός όσον αφορά στην αποδοτικότητα ενός πρωτοκόλλου ABP. ❏

❏

Όταν η πιθανότητα εµφάνισης σφαλµάτων µεταφοράς είναι υψηλή, τότε είναι προτιµητέο να χρησιµοποιήσουµε το πρωτόκολλο GBN έναντι του SRP για την επανεκποµπή πακέτων.

❏

❏

Τα πρωτόκολλα συνεχούς διοχέτευσης (pipeline) εµφανίζουν χαµηλότερη απόδοση σε σχέση µε τα πρωτόκολλα παύσης και αναµονής.

❏

❏

Στα πρωτόκολλα ολισθαίνοντος παραθύρου, το (n + W) – οστό πακέτο δεν µπορεί να µεταδοθεί, εάν το n – οστό πακέτο δεν έχει επιβεβαιωθεί, όπου W είναι το µέγεθος του παραθύρου.

❏

❏

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

126

™‡ÓÔ„Ë • Η επανεκποµπή εσφαλµένων πακέτων µπορεί να διενεργηθεί είτε στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων, είτε στο Επίπεδο Μεταφοράς του µοντέλου αναφοράς OSI. • Τα τρία ευρύτερα χρησιµοποιούµενα πρωτόκολλα επανεκποµπής πλαισίων είναι: (α) του εναλλασσοµένου bit (ABP), (β) της οπισθοχώρησης κατά Ν (GBN) και (γ) της επιλεκτικής επανάληψης (SRP). • Τα πρωτόκολλα επανεκποµπής πλαισίων συνήθως υλοποιούνται βασιζόµενα στη συνδυασµένη χρήση δύο θεµελιωδών µηχανισµών: της επιβεβαίωσης λήψης και του χρόνου προθεσµίας. • Για την ορθότητα των πρωτοκόλλων επανεκποµπής, τα πλαίσια δεδοµένων πρέπει να αριθµούνται. Επίσης, οι επιβεβαιώσεις λήψης πρέπει να περιέχουν αναφορές στην αντίστοιχη αρίθµηση αποστολής. • Η απόδοση ενός πρωτοκόλλου επανεκποµπής ορίζεται ως το µέσο ποσοστό χρόνου κατά τον οποίο ο αποστολέας µεταδίδει καινούργια πλαίσια δεδοµένων, υποθέτοντας ότι πάντα υπάρχουν πακέτα προς µετάδοση. • Η παύση και αναµονή είναι η βασική ιδέα του πρωτοκόλλου ABP: µόλις ο αποστολέας µεταδώσει ένα πλαίσιο, περιµένει την επιβεβαίωση λήψης από τον παραλήπτη πριν προχωρήσει στην αποστολή του επόµενου πλαισίου. Εάν αυτή η επιβεβαίωση δε φτάσει µέσα στον προσυµφωνηµένο χρόνο προθεσµίας, τότε µεταδίδει ξανά το πλαίσιο. • Στο πρωτόκολλο ABP, τα πλαίσια αριθµούνται: 0, 1, 0, 1, 0, 1,…. • Το πρωτόκολλο οπισθοχώρησης κατά Ν (GO BACK N – GBN) έχει καλύτερη απόδοση από το ABP, καθώς επιτρέπει στον αποστολέα να έχει περισσότερα του ενός ανεπιβεβαίωτα πλαίσια υπό µεταφορά. • Στο πρωτόκολλο GBN, τα πλαίσια αριθµούνται: 0, 1,…, W, 0, 1,…, W,…, όπου W είναι το παράθυρο µετάδοσης του πρωτοκόλλου. Ο αποστολέας µπορεί να έχει µέχρι W ανεπιβεβαίωτα πλαίσια. • Στο πρωτόκολλο GBN, ο παραλήπτης απορρίπτει τα πλαίσια που λαµβάνει εκτός σειράς. Επίσης, εάν ο αποστολέας δε λάβει µία επιβεβαίωση λήψης εντός της προθεσµίας, τότε µεταδίδει το αντίστοιχο παράθυρο µε πλαίσιο έναρξης το ανεπιβεβαίωτο πλαίσιο του οποίου έληξε ο χρόνος προθεσµίας. • Η απόδοση του πρωτοκόλλου GBN µπορεί να βελτιωθεί άµα χρησιµοποιηθούν αρνητικές επιβεβαιώσεις (NACKs). • Και το πρωτόκολλο SRP επιτρέπει στον αποστολέα να έχει περισσότερα του ενός

™YNOæH

ανεπιβεβαίωτα πλαίσια υπό µεταφορά. • Στο πρωτόκολλο SRP, τα πλαίσια αριθµούνται: 0, 1,…, 2W – 1, 0, 1,…, 2W – 1,… Ο αποστολέας µπορεί να έχει µέχρι W ανεπιβεβαίωτα πλαίσια. • Στο πρωτόκολλο SRP, ο παραλήπτης αποθηκεύει προσωρινά τα πλαίσια που λαµβάνει εκτός σειράς. Επίσης, ο αποστολέας επαναµεταδίδει µόνο το πλαίσιο που δεν επιβεβαιώθηκε εµπρόθεσµα. • Απουσία σφαλµάτων µεταφοράς, το SRP έχει την ίδια απόδοση µε το GBN. Όταν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς, το SRP εµφανίζει βελτιωµένη απόδοση σε σύγκριση µε το GBN.

127

KEºA§AIO 4: ¶ƒø∆√∫√§§∞ E¶∞¡∂∫¶√ª¶∏™

128

µÈ‚ÏÈÔÁÚ·Ê›·

Για την ύλη αυτού του Κεφαλαίου βασιστήκαµε στα βιβλία των Walrand (1998), Bertsekas και Gallager (1992) και Tanenbaum (1996). Οι προηγούµενες εκδόσεις των βιβλίων των Walrand και Tanenbaum έχουν µεταφραστεί στα Ελληνικά από τους Μ. Αναγνώστου (1997) και Ν. Παπαντώνη και Κ. Καραΐσκο (1992) αντίστοιχα. Για λεπτοµερή παρουσίαση του τρόπου λειτουργίας και των προδιαγραφών των δηµοσίων δικτύων δεδοµένων Χ.25, ο αναγνώστης παραπέµπεται στο Κεφάλαιο 11 του βιβλίου των Α. Αλεξόπουλου και Γ. Λαγογιάννη (1997). Ένα πολύ σηµαντικό θέµα στο χώρο των τηλεπικοινωνιών είναι η επαλήθευση της ορθότητας των πρωτοκόλλων, δηλαδή, το να διαπιστώσουµε ότι έχουν την επιθυµητή συµπεριφορά. Μία πολύ καλή εισαγωγή σ’ αυτό το µεγάλο θέµα γίνεται στο Κεφάλαιο 3 του βιβλίου του Tanenbaum (1996), ενώ µία λεπτοµερειακή τεχνική αναφορά αποτελεί το βιβλίο των Lai και Jirachiefpattana (1998). Ειδικότερα, για τα δίκτυα Petri, µία αποδοτική τεχνική αυτόµατης επαλήθευσης πρωτοκόλλων, ο αναγνώστης µπορεί να ανατρέξει στο βιβλίο του Peterson (1981). [1] Jean Walrand. «Communications Networks: A First Course». Second Edition. McGraw – Hill. ISBN 0 – 256 – 17404 – 0. (1998). [2] Dimitri Bertsekas and Robert Gallager. «Data Networks». Prentice Hall. ISBN 0 – 13 – 200916 – 1. (1992). [3] Andrew Tanenbaum. «Computer Networks». Third Edition. Prentice – Hall, Inc. ISBN 0 – 13 – 349945 – 6. (1996). [4] Jean Walrand. «∆ίκτυα Επικοινωνιών». Μετάφραση: Μιλτιάδης Αναγνώστου. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. ISBN 960 – 7510 – 45 – 3. (1997). [5] Andrew Tanenbaum. «∆ίκτυα Υπολογιστών». Μετάφραση: Νίκος Παπαντώνης και Κώστας Καραϊσκος. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. ISBN 960 – 7182 – 00 – 6. (1992). [6] Άρης Αλεξόπουλος και Γιώργος Λαγογιάννης. «Τηλεπικοινωνίες και ∆ίκτυα Υπολογιστών». Τέταρτη Έκδοση. ISBN 960 – 220 – 086 – 3. (1997). [7] Richard Lai and Ajin Jirachiefpattana. «Communication Protocol Specification and Verification». Kluwer Academic. ISBN 0792382846. (1998). [8] James Lyle Peterson. «Petri Net Theory and the Modeling of Systems». Prentice Hall. ISBN 0136619835. (1981).

∫

∆ÔÈο ¢›ÎÙ˘· ™ÎÔfi˜

∂

5 º

Σ’ αυτό το κεφάλαιο θα γνωρίσουµε τα τοπικά δίκτυα υπολογιστών, επικεντρώνοντας την προσοχή µας στην αρχιτεκτονική αλλά και στις λειτουργικές προδιαγραφές τεσσάρων τύπων τοπικών δικτύων που έχουν καθολικά επικρατήσει στην αγορά.

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτό το κεφάλαιο, θα µπορείτε να: • ορίσετε τα τοπικά δίκτυα και τους τύπους τοπικών δικτύων Ethernet IEEE 802.3, ∆ακτυλίου µε Κουπόνι (Token Ring) IEEE 802.5, FDDI και Ασύρµατο Τοπικό ∆ίκτυο (WLAN) IEEE 802.11, • εξηγήσετε την αρχιτεκτονική των τοπικών δικτύων σύµφωνα µε το πρότυπο IEEE 802, • αναφέρετε τρεις µηχανισµούς ελέγχου προσπέλασης του φυσικού µέσου στα τοπικά δίκτυα, • περιγράψετε τις θεµελιώδεις αρχές λειτουργίας των τεσσάρων τύπων τοπικών δικτύων που παρουσιάζονται σ’ αυτό το Κεφάλαιο, • επιχειρηµατολογήσετε σχετικά µε την απόδοση που επιτυγχάνει το καθένα από αυτά τα τέσσερα τοπικά δίκτυα, • συγκρίνετε τους τέσσερις τύπους τοπικών δικτύων, αναφέροντας τα ισχυρά και τα αδύνατα σηµεία του καθενός.

ŒÓÓÔȘ ÎÏÂȉȿ • CSMA/CA

• Έλεγχος

• CSMA/CD

(MAC)

• Ethernet (IEEE 802.3)

Προσπέλασης

• Ιδεατό τοπικό δίκτυο (VLAN)

• FDDI • µεταγωγέας Ethernet • Ασύρµατα τοπικά δίκτυα IEEE 802.11 • ∆ακτύλιος µε Κουπόνι (IEEE 802.5)

• Πέρασµα κουπονιού

• Έλεγχος Λογικής Σύνδεσης (LLC)

• τοπικό δίκτυο

Μέσων

∞

§

∞

π

√

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

130

∂ÈÛ·ÁˆÁÈΤ˜ ·Ú·ÙËÚ‹ÛÂȘ Ως τοπικό δίκτυο (local area network – LAN) ορίζουµε το σύνολο των διασυνδεδεµένων υπολογιστών που εκτείνονται σε σχετικά µικρή περιοχή (π.χ. στα όρια ενός κτιρίου ή γειτονικών κτιρίων). Το τοπικό δίκτυο προσφέρει στους χρήστες του µία πληθώρα πλεονεκτηµάτων, όπως για παράδειγµα το διαµοιρασµό συσκευών και εφαρµογών, την ανταλλαγή αρχείων, τη µεταξύ τους επικοινωνία µέσω ηλεκτρονικού ταχυδροµείου και άλλων προηγµένων υπηρεσιών, την πρόσβαση στο ∆ιαδίκτυο

(α) Ethernet / IEEE 802.3

(β) ∆ακτύλιος µε κουπόνι / IEEE 802.5

(γ) FDDI

(δ) IEEE 802.11

™¯‹Ì· 5.1

Τέσσερις τύποι τοπικών δικτύων (LAN), οι οποίοι χρησιµοποιούνται ευρέως σε εγκαταστάσεις που εκτείνονται εντός κτιρίου ή γειτονικών κτιρίων. Ειδικά το δίκτυο FDDI µπορεί να καλύψει και αστικές περιοχές, υλοποιώντας έτσι ένα µητροπολιτικό δίκτυο (MAN).

∂ π ™ ∞ ° ø ° π ∫ ∂ ™ ¶ ∞ ƒ∞∆ ∏ ƒ ∏ ™ ∂ π ™

µέσω κοινόχρηστης σύνδεσης, κ.ά. Σ’ αυτό το Κεφάλαιο θα παρουσιάσουµε αρχικά την αρχιτεκτονική και τα γενικά χαρακτηριστικά των τοπικών δικτύων και στη συνέχεια θα επεκταθούµε σε τέσσερις τύπους τοπικών δικτύων που έχουν καθολικά επικρατήσει στην αγορά. Αυτά είναι τα ενσύρµατα δίκτυα Ethernet/IEEE 802.3, ∆ακτυλίου µε Κουπόνι/IEEE 802.5 και FDDI και τα ασύρµατα δίκτυα IEEE 802.11. Η λογική διάταξη των κόµβων σε κάθε ένα από τα παραπάνω τοπικά δίκτυα απεικονίζεται στο σχήµα 5.1. Το δίκτυο FDDI µπορεί να επεκταθεί σε περιοχές µεγαλύτερες από αυτή που ορίζει µία σειρά από γειτονικά κτίρια, όπως π.χ. στα όρια µίας πόλης. Σ’ αυτήν την περίπτωση το δίκτυο χαρακτηρίζεται ως µητροπολιτικό δίκτυο (metropolitan area network – MAN) ή δίκτυο αστικής περιοχής.

131

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

132

5.1 ∏ ·Ú¯ÈÙÂÎÙÔÓÈ΋ ÙˆÓ ÙÔÈÎÒÓ ‰ÈÎÙ‡ˆÓ

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτήν την ενότητα θα µπορείτε να: • αναφέρετε πέντε τουλάχιστον πρωτόκολλα LAN και να τα αντιστοιχήσετε στα επίπεδα του µοντέλου αναφοράς OSI, • ορίσετε τα δύο τµήµατα στα οποία χωρίζεται το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων στα τοπικά δίκτυα και να αιτιολογήσετε αυτόν το διαχωρισµό, • περιγράψετε τέσσερις τοπολογίες τοπικού δικτύου, • αναφέρετε τρεις µηχανισµούς ελέγχου προσπέλασης του φυσικού µέσου στα τοπικά δίκτυα και να προσδιορίσετε τον τρόπο λειτουργίας τους, • ορίσετε τρεις τύπους µετάδοσης δεδοµένων στα τοπικά δίκτυα µε βάση το πλήθος των πιθανών παραληπτών. Οι τυποποιήσεις των τοπικών και των µητροπολιτικών δικτύων (LAN/MAN) καθορίζονται από την οµάδα εργασίας 802 της IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ενός διεθνούς µη κερδοσκοπικού επαγγελµατικού συλλόγου, που απαριθµεί εκατοντάδες χιλιάδες µέλη (ηλεκτρολόγους και ηλεκτρονικούς µηχανικούς) σε πάνω από 150 χώρες στον κόσµο. Η οµάδα IEEE 802 συναντήθηκε για πρώτη φορά στις 27 – 29 Φεβρουαρίου 1980 στο San Francisco, CA, χάρη στις επίµονες προσπάθειες των Maris Graube και Robert Rosenthal. Σ’ αυτήν τη συνάντηση συµµετείχαν περίπου 125 άτοµα, τα περισσότερα µε εµπειρία στην ανάπτυξη τοπικού δικτύου, καθώς εκείνη τη χρονική στιγµή υπήρχαν περίπου 80 τύποι τοπικών δικτύων υπό σχεδίαση ή σε περιορισµένη χρήση. Αποστολή της οµάδας εργασίας ορίστηκε η συγγραφή διεθνών προτύπων για τα τοπικά δίκτυα, τα οποία να αντιστοιχούν στα επίπεδα 1 και 2 του µοντέλου αναφοράς OSI. Μέσα στα πρώτα δύο χρόνια εκδόθηκαν τα πρώτα προσχέδια προτύπων, επί των οποίων διενεργήθηκαν µακροχρόνιες διαβουλεύσεις. Τελικά, τον Ιανουάριο 1985 εκδόθηκε το πρώτο πρότυπο της οµάδας, το οποίο ονοµάστηκε IEEE 802.3. Από τότε µέχρι σήµερα, έχουν εκδοθεί πάνω από 50 πρότυπα και συµπληρώµατα προτύπων, τα οποία καλύπτουν όλο το ευρύ φάσµα της αρχιτεκτονικής των δικτύων LAN/MAN. 5.1.1 ∆· ÚˆÙfiÎÔÏÏ· LAN Î·È ÙÔ ÌÔÓÙ¤ÏÔ ·Ó·ÊÔÚ¿˜ OSI

Τα πρωτόκολλα τοπικού δικτύου λειτουργούν στα δύο χαµηλότερα επίπεδα του µοντέλου αναφοράς OSI, δηλαδή στο Φυσικό Επίπεδο και στο Επίπεδο Σύνδεσης

5.1 ∏ ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ∆ø¡ ∆√¶π∫ø¡ ¢π∫∆Àø¡

133

∆εδοµένων. Στο σχήµα 5.2 δίδεται η αντιστοιχία διαφόρων πρωτοκόλλων LAN µε τα επίπεδα του OSI.

(α) Eπίπεδα OSI

FDDI

IEEE 802.11

Φυσικό επίπεδο

IEEE 802.5

MAC

IEEE 802.3

Eπίπεδο Σύνδεσης‚ ∆εδοµένων

IEEE 802.2

IEEE 802.10

LLC

(β) πρότυπα LAN/WAN

Όπως γνωρίζουµε, τα ηλεκτρικά και µηχανικά χαρακτηριστικά του µέσου µετάδοσης καθορίζονται στο Φυσικό Επίπεδο. Επίσης, το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων φροντίζει για την ανταλλαγή πλαισίων µεταξύ των υπολογιστών που διασυνδέονται στο ίδιο τοπικό δίκτυο. Οι υπολογιστές σ’ ένα τοπικό δίκτυο επικοινωνούν µεταξύ τους χρησιµοποιώντας έναν κοινό σύνδεσµο πολλαπλής πρόσβασης αντί για συνδέσµους σηµείο µε σηµείο και αυτό το ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αποτελεί µία ειδοποιό διαφορά των δικτύων LAN/MAN από τα δίκτυα ευρείας περιοχής. Για τον αποδοτικό χειρισµό αυτού του χαρακτηριστικού, το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων στα τοπικά δίκτυα χωρίζεται σε δύο υποεπίπεδα: στον Έλεγχο Προσπέλασης Μέσων (Media Access Control – MAC) και στον Έλεγχο Λογικής Σύνδεσης (Logical Link Control – LLC). Οι λειτουργίες που εκτελούνται στο υποεπίπεδο MAC ρυθµίζουν την προσπέλαση στον κοινό σύνδεσµο. Για κάθε συνοµιλία µεταξύ δύο κόµβων στο τοπικό δίκτυο, ο Έλεγχος Προσπέλασης Μέσων υλοποιεί έναν ιδεατό σύνδεσµο σηµείου µε σηµείο µεταξύ των ενδιαφεροµένων µερών, δίδοντάς τους έτσι την ψευδαίσθηση ότι επικοινωνούν διαµέσου απευθείας συνδέσµου και όχι διαµέσου του διαµοιραζόµενου

™¯‹Ì· 5.2

H αντιστοιχία διαφόρων δηµοφιλών πρωτοκόλλων LAN µε τα επίπεδα του µοντέλου αναφοράς OSI.

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

134

συνδέσµου πολλαπλής πρόσβασης. Ο Έλεγχος Λογικής Σύνδεσης υλοποιεί τις υπηρεσίες µετάδοσης πλαισίων µεταξύ των κόµβων του τοπικού δικτύου. Έτσι, µπορεί να υλοποιήσει µία υπηρεσία αξιόπιστης µετάδοσης πλαισίων, ζητώντας την επανεκποµπή όλων των πλαισίων που αλλοιώθηκαν κατά τη µεταφορά τους. Επίσης, µπορεί να υλοποιήσει µία υπηρεσία κατά την οποία να απορρίπτει απλώς τα πλαίσια που υπέστησαν σφάλµα µεταφοράς και να προωθεί στο Επίπεδο ∆ικτύου τα υπόλοιπα πλαίσια. Όπως παρατηρούµε στο σχήµα 5.2, το πρότυπο IEEE 802.2 καθορίζει το υποεπίπεδο LLC. Επίσης, υπάρχει ένα πλήθος από πρότυπα (IEEE 802.3 – 16) που καλύπτουν τόσο το Φυσικό Επίπεδο όσο και το υποεπίπεδο MAC των τοπικών δικτύων, µε πιο δηµοφιλή τα ΙΕΕΕ 802.3 (δίκτυα τύπου Ethernet), IEEE 802.5 (δίκτυα τύπου ∆ακτυλίου µε Κουπόνι) και IEEE 802.11 (ασύρµατα τοπικά δίκτυα). Παρατηρήστε ότι η ύπαρξη του υποεπιπέδου LLC δίδει µία µοναδική ευελιξία στην προσθήκη µελλοντικών προτύπων LAN, καθώς απαλλάσσει το Επίπεδο ∆ικτύου από την υποχρέωση προσαρµογής σ’ αυτό το νέο πρότυπο. Τα πρότυπα που εξελίσσονται στο χρόνο, τηρούν µία αρίθµηση συµβατή µε αυτή του αρχικού προτύπου. Για παράδειγµα, τα πρότυπα για τα προηγµένα δίκτυα τύπου Ethernet, τα οποία εµφανίζουν ρυθµό µετάδοσης πολλαπλάσιο του αρχικού, έχουν αριθµηθεί ως IEEE 802.3u (Fast Ethernet), IEEE 802.3z (Gigabit Ethernet) και IEEE 802.3ae (10 Gigabit Ethernet). Επίσης, το πρότυπο IEEE 802.10 ασχολείται µε την ασφάλεια στα τοπικά δίκτυα και εντάσσεται αποκλειστικά στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων.

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 5.1 Στη διεύθυνση http://www.ieee802.org βρίσκεται ο επίσηµος δικτυακός τόπος της οµάδας εργασίας IEEE 802. Αφού συµβουλευτείτε τα περιεχόµενά του, σκιαγραφήστε τον πλήρη χάρτη των πρωτοκόλλων LAN, σύµφωνα µε το υπόδειγµα του σχήµατος 5.2.

5.1.2 ∆ÔÔÏÔÁ›Â˜ ÙÔÈÎÒÓ ‰ÈÎÙ‡ˆÓ

Η φυσική διάταξη των κόµβων και των συνδέσµων ενός δικτύου ονοµάζεται φυσική τοπολογία του δικτύου. Αντίστοιχα, η λογική τοπολογία ενός δικτύου αποτυπώνει τον τρόπο µε τον οποίο οργανώνονται οι κόµβοι του. Η λογική τοπολογία ενός δικτύου δεν ταυτίζεται πάντα µε τη φυσική του τοπολογία.

5.1 ∏ ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ∆ø¡ ∆√¶π∫ø¡ ¢π∫∆Àø¡

(α) αρτηρία

135

(β) δακτύλιος

™¯‹Ì· 5.3

(γ) αστέρας

(δ) δέντρο

Υπάρχουν τέσσερις βασικές τοπολογίες τοπικών δικτύων: η αρτηρία, ο δακτύλιος, ο αστέρας και το δέντρο (βλέπε σχήµα 5.3). Στην αρτηρία, οι κόµβοι του δικτύου συνδέονται εν σειρά, όπως στο σχήµα 5.3.α. Ένα βασικό χαρακτηριστικό αυτής της τοπολογίας είναι ότι τα µεταφερόµενα πλαίσια διασχίζουν όλο το µήκος του φυσικού µέσου και γι’ αυτό λαµβάνονται από όλους τους κόµβους που διασυνδέονται στο τοπικό δίκτυο. Τα τοπικά δίκτυα Ethernet/IEEE 802.3 και IEEE 802.11 έχουν αυτήν τη λογική τοπολογία. Στο δακτύλιο, οι κόµβοι του δικτύου συνδέονται µε συνδέσµους µίας κατεύθυνσης

Οι τέσσερις βασικές τοπολογίες τοπικού δικτύου: η αρτηρία, ο δακτύλιος, ο αστέρας και το δέντρο.

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

136

µε τέτοιο τρόπο, έτσι ώστε να συνθέτουν έναν κλειστό βρόχο (βλέπε σχήµα 5.3.β). Αξίζει να παρατηρήσουµε ότι η µεταφορά πλαισίων σ’ ένα δακτύλιο γίνεται προς µία µόνο κατεύθυνση. Όπως αναφέρει άλλωστε και το όνοµά του, το τοπικό δίκτυο IEEE 802.5 (Token Ring) έχει την τοπολογία δακτυλίου. Επίσης, το δίκτυο FDDI υλοποιείται ως ένας διπλός δακτύλιος, όπου οι δύο δακτύλιοι έχουν αντίθετη κατεύθυνση ροής των δεδοµένων. Στον αστέρα, όλοι οι κόµβοι του δικτύου συνδέονται απευθείας σ’ έναν κεντρικό κόµβο, ο οποίος καλείται συγκεντρωτής ή οµφαλός επικοινωνίας. Τέλος, η τοπολογία δέντρου συνδυάζει τα χαρακτηριστικά της αρτηρίας και του αστέρα. Είναι µία υβριδική τοπολογία η οποία συντίθεται από οµάδες υπολογιστών τοπολογίας αστέρα, οι οποίες µε τη σειρά τους συνδέονται σε µία κεντρική αρτηρία (βλέπε σχήµα 5.3.δ). ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 5.1 Μία λογική τοπολογία δεν είναι απαραίτητο να υλοποιείται µε την αντίστοιχη φυσική τοπολογία του δικτύου. Για παράδειγµα, οι λογικές τοπολογίες της αρτηρίας και του δακτυλίου συνήθως υλοποιούνται ως αστέρες. Σκιαγραφήστε την περίπτωση όπου τέσσερις κόµβοι, συνδεδεµένοι διαµέσου ενός συγκεντρωτή, υλοποιούν την λογική τοπολογία του δακτυλίου.

5.1.3 ªË¯·ÓÈÛÌÔ› ÂϤÁ¯Ô˘ ÚÔÛ¤Ï·Û˘ ÙÔ˘ Ê˘ÛÈÎÔ‡ ̤ÛÔ˘

Οι σύνδεσµοι πολλαπλής πρόσβασης έχουν τον εξής λειτουργικό περιορισµό: σε µία αυθαίρετη χρονική στιγµή, επιτρέπουν µόνο σε έναν από τους διασυνδεδεµένους κόµβους να έχει την αποκλειστική χρήση του για τη µετάδοση δεδοµένων. Έτσι, καθώς περιµένουµε να υπάρχουν περισσότεροι του ενός κόµβοι που να έχουν δεδοµένα προς µετάδοση την ίδια χρονική στιγµή, τα τοπικά δίκτυα πρέπει να είναι εξοπλισµένα µε µηχανισµούς οι οποίοι θα ρυθµίζουν την προσπέλαση των κόµβων στο φυσικό µέσο. Τρεις είναι οι κύριοι µηχανισµοί ελέγχου προσπέλασης του φυσικού µέσου: • η Πολλαπλή Πρόσβαση µε Ακρόαση Φέροντος και Ανίχνευση Συγκρούσεων (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – CSMA/CD), • η Πολλαπλή Πρόσβαση µε Ακρόαση Φέροντος και Αποφυγή Συγκρούσεων (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – CSMA/CA), και • το Πέρασµα Κουπονιού (token passing).

5.1 ∏ ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ∆ø¡ ∆√¶π∫ø¡ ¢π∫∆Àø¡

Ο µηχανισµός CSMA/CD Ο µηχανισµός CSMA/CD βασίζεται σε µία ιδιότητα που πρέπει να διαθέτουν οι διασυνδεδεµένοι κόµβοι, η οποία ονοµάζεται ακρόαση φέροντος. Αν ένας κόµβος διαθέτει αυτή την ιδιότητα, τότε µπορεί να παρατηρεί το µέσο πολλαπλής πρόσβασης και, σε κάθε χρονική στιγµή, να αναγνωρίζει αν µεταφέρονται δεδοµένα στο δίκτυο ή αυτό είναι αδρανές. Αν δύο ή περισσότεροι κόµβοι µεταδώσουν δεδοµένα στο δίκτυο την ίδια χρονική στιγµή (έχοντας προηγουµένως ανιχνεύσει ο καθένας ότι το φυσικό µέσο είναι ελεύθερο), τότε έχουµε το φαινόµενο της σύγκρουσης (collision). Στη σύγκρουση, τα δύο ή περισσότερα πλαίσια, που µεταδίδονται ταυτόχρονα, επικαλύπτονται χρονικά και το σήµα που προκύπτει είναι παραποιηµένο και δεν µπορεί να χρησιµοποιηθεί περαιτέρω. Η σύγκρουση µπορεί να ανιχνευθεί από όλους τους κόµβους. Όταν υλοποιείται ο µηχανισµός CSMA/CD, τότε ο κόµβος του τοπικού δικτύου, που έχει δεδοµένα προς µετάδοση, ακολουθεί την ακόλουθη διαδικασία: 1. Περιµένει µέχρις ότου το κανάλι καταστεί αδρανές. 2. Όταν διαπιστώσει ότι το κανάλι είναι αδρανές, τότε µεταδίδει τα δεδοµένα του και ταυτόχρονα παρατηρεί το µέσο πολλαπλής πρόσβασης. 3. Στην περίπτωση που ανιχνεύσει σύγκρουση, τότε σταµατάει τη µετάδοση δεδοµένων, περιµένει για ένα τυχαίο χρονικό διάστηµα και ξεκινά πάλι από το βήµα 1. Πόσος είναι ο τυχαίος χρόνος που ένας κόµβος περιµένει µετά την ανίχνευση σύγκρουσης; Η τιµή του υπολογίζεται µε βάση τον ακόλουθο αλγόριθµο, ο οποίος ονοµάζεται δυαδική εκθετική υποχώρηση (binary exponential backoff). Ας συµβολίσουµε µε T το χρόνο που απαιτείται για να διαδοθεί ένα ηλεκτρικό σήµα από το ένα άκρο του φυσικού µέσου στο άλλο, υποθέτοντας ότι το µήκος του φυσικού µέσου είναι το µέγιστο επιτρεπτό. Εάν ένα πλαίσιο συγκρούστηκε n συνεχόµενες φορές κατά τη µετάδοσή του, τότε ο κόµβος επιλέγει, µε ίσες πιθανότητες, έναν τυχαίο αριθµό K από το σύνολο {0, 1, 2, 3, …, 2m – 1}, όπου m: = min{10, n}. Στη συνέχεια, ο κόµβος υπολογίζει τον τυχαίο χρόνο αναµονής, ο οποίος ισούται µε το γινόµενο K ¥ 2T. Έτσι, µετά την πρώτη σύγκρουση, ο κόµβος είτε ξαναπροσπαθεί αµέσως, είτε περιµένει χρόνο 2T πριν ξεκινήσει τη διαδικασία µετάδοσης. Μετά τη δεύτερη σύγκρουση, περιµένει, µε ίσες πιθανότητες, για χρόνο 0, 2T, 4T ή 6T. Αντίστοιχα, µετά από τρεις διαδοχικές συγκρούσεις, ο χρόνος αναµονής µπορεί ισοπίθανα να είναι ένας

137

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

138

από τους 0, 2T, 4T, 6T, …, 14T, κ.ο.κ. Έτσι, εξαπλώνοντας σταδιακά το εύρος των χρόνων αναµονής µετά από σύγκρουση, µειώνουµε την πιθανότητα εµφάνισης διαδοχικών συγκρούσεων στο δίκτυο. Ο αλγόριθµος δυαδικής εκθετικής υποχώρησης εξασφαλίζει τη µικρή καθυστέρηση, όταν συγκρούονται λίγοι σταθµοί, αλλά και τη γρήγορη επίλυση των συγκρούσεων, όταν συγκρούονται πολλοί σταθµοί. Για την απόδειξη αυτού του ισχυρισµού, ο αναγνώστης παραπέµπεται στην Ενότητα 4.8 του βιβλίου του Walrand (1998). Ο µηχανισµός CSMA/CA Ο µηχανισµός CSMA/CD που περιγράψαµε στην προηγούµενη παράγραφο δεν µπορεί να υλοποιηθεί, όταν οι κόµβοι δεν έχουν τη δυνατότητα να µεταδίδουν και να ανιχνεύουν συγκρούσεις την ίδια χρονική στιγµή. Για παράδειγµα, στα ασύρµατα τοπικά δίκτυα, όταν ένα κόµβος µεταδίδει δεδοµένα στο δίκτυο, το σήµα του «πνίγει», λόγω της ισχύος του, οποιοδήποτε άλλο σήµα φτάνει σ’ αυτόν τον κόµβο. Έτσι, δεν µπορεί να ακούσει τους άλλους κόµβους του δικτύου, που ενδέχεται να µεταδίδουν την ίδια χρονική στιγµή και κατά συνέπεια δεν µπορεί να ανιχνεύσει τις συγκρούσεις. Σε τέτοιες περιπτώσεις µπορεί να χρησιµοποιηθεί ο µηχανισµός Πολλαπλής Πρόσβασης µε Ακρόαση Φέροντος και Αποφυγή Συγκρούσεων (CSMA/CA). Ένα βασικό χαρακτηριστικό αυτού του µηχανισµού είναι ότι απαιτεί την επιβεβαίωση λήψης ενός πλαισίου, υλοποιώντας ένα σχήµα παύσης και αναµονής. Στα δίκτυα CSMA/CA, όταν ένας κόµβος έχει δεδοµένα προς µετάδοση, ελέγχει αρχικά εάν το κανάλι είναι αδρανές. Εάν είναι, τότε µεταδίδει τα δεδοµένα. Εάν δεν είναι, τότε επιλέγει µε τυχαίο τρόπο ένα χρόνο αναµονής και καταχωρεί την τιµή του σ’ έναν απαριθµητή υποχώρησης. Όσο χρόνο το κανάλι είναι αδρανές, ο απαριθµητής υποχώρησης µειώνεται. Όσο χρόνο το κανάλι είναι απασχοληµένο, η τιµή του απαριθµητή υποχώρησης δε µεταβάλλεται. Όταν µηδενιστεί η τιµή αυτού του απαριθµητή, ο κόµβος επιχειρεί ξανά τη µετάδοση των δεδοµένων του. Καθώς η πιθανότητα να έχουν επιλέξει δύο διαφορετικοί κόµβοι την ίδια τιµή για τον απαριθµητή υποχώρησης είναι µικρή, η πιθανότητα εµφάνισης σύγκρουσης είναι επίσης µικρή. Όχι όµως και µηδενική. Πώς λοιπόν οι κόµβοι αναγνωρίζουν ότι υπήρξε σύγκρουση και ότι πρέπει να αναµεταδώσουν τα πλαίσιά τους; Αυτός ακριβώς ο σκοπός εξυπηρετείται µε την απαίτηση της επιβεβαίωσης λήψης πλαισίων. Εάν ένας κόµβος δε λάβει την αντίστοιχη επιβεβαίωση λήψης για το πλαίσιο που µετέδωσε, τότε θεωρεί ότι αυτό είναι αποτέλεσµα σύγκρουσης και ξεκινά τη διαδικασία επανεκποµπής του.

5.1 ∏ ∞ƒÃπ∆∂∫∆√¡π∫∏ ∆ø¡ ∆√¶π∫ø¡ ¢π∫∆Àø¡

Το Πέρασµα Κουπονιού Στα τοπικά δίκτυα που ελέγχουν την προσπέλαση του φυσικού µέσου µε το πέρασµα κουπονιού (token passing), ένα ειδικό πλαίσιο ελέγχου, το οποίο καλείται κουπόνι, µεταφέρεται συνεχώς από κόµβο σε κόµβο του δικτύου. Όταν ένας κόµβος έχει δεδοµένα προς µετάδοση, τότε θα πρέπει να περιµένει να φτάσει το κουπόνι σ’ αυτόν. Μόλις λάβει το κουπόνι, αυτόµατα σηµατοδοτείται το πράσινο φως για τη µετάδοση και αποστέλλει το πλαίσιο δεδοµένων στο δίκτυο. Όταν η µετάδοση του πλαισίου ολοκληρωθεί, αποδεσµεύει το κουπόνι, έτσι ώστε να µπορέσει να αξιοποιηθεί από κάποιον άλλον κόµβο του δικτύου. Το µεγάλο πλεονέκτηµα αυτού του µηχανισµού είναι το ότι µπορεί να υπολογιστεί ένα άνω όριο στο χρόνο που ένας κόµβος πρέπει να περιµένει, µέχρις ότου του δοθεί η ευκαιρία να αποστείλει τα δεδοµένα του στο δίκτυο. Γι’ αυτό και τα τοπικά δίκτυα που υλοποιούν τεχνικές περάσµατος κουπονιού χρησιµοποιούνται ευρέως σε περιβάλλοντα πραγµατικού χρόνου όπως π.χ. στη βιοµηχανία, όπου τα διάφορα συστήµατα παραγωγής πρέπει να είναι σε θέση να επικοινωνούν σε προκαθορισµένα χρονικά διαστήµατα. 5.1.4 ª¤ıÔ‰ÔÈ ÌÂÙ¿‰ÔÛ˘ ÛÙ· ÙÔÈο ‰›ÎÙ˘·

Εκτός από την τυπική µετάδοση δεδοµένων, όπου κάθε πλαίσιο που αποστέλλεται στο δίκτυο προορίζεται για έναν µόνο παραλήπτη, υπάρχουν και άλλοι δύο τύποι µεταδόσεων που έχουν εφαρµογή στα τοπικά δίκτυα: (α) η πολλαπλή αποστολή (multicasting) και (β) η καθολική εκποµπή (broadcasting). Η µετάδοση πλαισίου προς ένα µεµονωµένο παραλήπτη αναφέρεται στην ξένη βιβλιογραφία ως unicasting. Στην πολλαπλή αποστολή, το πλαίσιο που µεταδίδεται δεν έχει έναν παραλήπτη, αλλά ένα υποσύνολο των διασυνδεδεµένων κόµβων του δικτύου. Αντίστοιχα, στην καθολική εκποµπή, παραλήπτες είναι όλοι οι κόµβοι του δικτύου. Για την υλοποίηση της πολλαπλής αποστολής και της καθολικής εκποµπής έχουν οριστεί κάποιες ειδικές διευθύνσεις στο τοπικό δίκτυο, οι οποίες ονοµάζονται διευθύνσεις πολλαπλής αποστολής και διεύθυνση καθολικής εκποµπής αντίστοιχα. Παρατηρήστε ότι υπάρχει µόνο µία διεύθυνση καθολικής εκποµπής στο δίκτυο (…γιατί άραγε;). Αυτό που πρέπει να τονίσουµε είναι ότι ο αποστολέας κόµβος µεταδίδει ένα µόνο πλαίσιο στο δίκτυο, στο οποίο έχει προσδιορίσει ως διεύθυνση παραλήπτη µία από τις ισχύουσες διευθύνσεις πολλαπλής αποστολής ή τη διεύθυνση καθολικής εκποµπής του δικτύου. Την υποχρέωση δηµιουργίας των απαραίτητων αντιγράφων του πλαισίου, όπου αυτά χρειάζονται, την αναλαµβάνει το δίκτυο.

139

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

140

Κάθε κόµβος που είναι συνδεδεµένος στο κοινό µέσο πολλαπλής πρόσβασης λαµβάνει όλα τα µεταφερόµενα πλαίσια. Εάν το πλαίσιο προορίζεται γι’ αυτόν, το προωθεί για περαιτέρω επεξεργασία – αλλιώς το αγνοεί. Για να διαπιστώσει ότι προορίζεται γι’ αυτόν, διαβάζει τη διεύθυνση παραλήπτη που είναι προσαρτηµένη στην επικεφαλίδα του πλαισίου. Αποδεκτές διευθύνσεις είναι η διεύθυνση που έχει αποκλειστικά εκχωρηθεί σ’ αυτόν τον κόµβο, η διεύθυνση καθολικής εκποµπής και οι διευθύνσεις των οµάδων πολλαπλής αποστολής στις οποίες ο κόµβος έχει δηλώσει συµµετοχή. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 5.2 Είναι σωστό ή λάθος ότι: Σωστό

Λάθος

Ο χρόνος µεταφοράς ενός πλαισίου µεταξύ δύο κόµβων σ’ ένα τοπικό δίκτυο είναι το άθροισµα των αντίστοιχων χρόνων µετάδοσης και διάδοσης.

❏

❏

Στην τοπολογία του αστέρα, η αστοχία ενός κόµβου δεν επηρεάζει τη λειτουργία του δικτύου.

❏

❏

Οι συγκρούσεις επηρεάζουν αρνητικά την απόδοση ενός δικτύου CSMA/CD.

❏

❏

Σε καταστάσεις υψηλού φόρτου, η απόδοση ενός δικτύου CSMA/CD είναι ανάλογη του πλήθους των διασυνδεδεµένων κόµβων.

❏

❏

Στα δίκτυα CSMA/CA, όταν ένας κόµβος διαπιστώσει ότι το κανάλι δεν είναι αδρανές, τότε αναβάλλει τη µετάδοση των δεδοµένων του για χρόνο τουλάχιστον ίσο µε το άθροισµα του χρόνου µετάδοσης ενός πλαισίου συν τον τυχαίο χρόνο υποχώρησης που επέλεξε.

❏

❏

Η καθολική εκποµπή χρησιµοποιεί καλύτερα τους πόρους ενός τοπικού δικτύου σε σχέση µε την µαζική µετάδοση αντιγράφων του πλαισίου από τον αποστολέα προς όλους τους κόµβους του δικτύου µεµονωµένα.

❏

❏

5 . 2 ¢ π ∫ ∆ À∞ I E E E 8 0 2 . 3 ( E T H E R N E T )

141

5.2 ¢›ÎÙ˘· IEEE 802.3 (Ethernet)

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτήν την ενότητα θα µπορείτε να: • περιγράψετε την οικογένεια προτύπων 802.3 και να αναφέρετε το κοινό χαρακτηριστικό γνώρισµά τους, • αναφέρετε πέντε τουλάχιστον τύπους δικτύων Ethernet και να παρουσιάσετε τα χαρακτηριστικά τους, • προσδιορίσετε τη µορφή του πλαισίου στα δίκτυα IEEE 802.3, • ορίσετε την απόδοση του πρωτοκόλλου CSMA/CD και να αναφέρετε τις παραµέτρους που την επηρεάζουν στα δίκτυα Ethernet, • περιγράψετε τον τρόπο υλοποίησης δικτύων Ethernet µε µεταγωγείς και να εξηγήσετε την προτίµησή του έναντι των άλλων τρόπων υλοποίησης, • διευκρινίσετε τι επιτυγχάνουµε µε την ανάπτυξη ιδεατών τοπικών δικτύων. Μεταξύ των προτύπων IEEE 802, η οικογένεια IEEE 802.3 έχει καθιερωθεί ως η επικρατέστερη τεχνολογία για την ανάπτυξη τοπικών δικτύων. Περιλαµβάνει µία µεγάλη ποικιλία πρωτοκόλλων, µε ταχύτητες µετάδοσης από 10 Mbps έως 10 Gbps, τα οποία έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό: χρησιµοποιούν το CSMA/CD ως τη µέθοδο προσπέλασης του φυσικού µέσου, γι’ αυτό και συχνά αναφέρονται ως πρωτόκολλα CSMA/CD. Το πρότυπο 802.3 βασίστηκε στο Ethernet, ένα σύστηµα CSMA/CD που ανέπτυξαν οι Metcalfe και Boggs (1976), µηχανικοί της Xerox, για να διασυνδέσουν πάνω από 100 σταθµούς εργασίας σε ένα καλώδιο µήκους 1 Km. Το σύστηµα αυτό ονοµάστηκε Ethernet από το luminiferous ether (φωτεινός αιθέρας), µέσω του οποίου εθεωρείτο αρχικά ότι µεταδίδεται η ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία. Στο σχήµα 5.4 απεικονίζεται το διάγραµµα που σχεδίασε ο Robert Metcalfe για να παρουσιάσει το Ethernet σ’ ένα συνέδριο τον Ιούνιο του 1976.

™¯‹Ì· 5.4

Ένα διάγραµµα του πρώτου συστήµατος Ethernet σχεδιασµένο από τον εφευρέτη του, τον Robert Metcalfe.

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

142

Το σύστηµα των Metcalfe και Boggs ήταν τόσο επιτυχές που οι εταιρείες DEC, Intel και Xerox συνέταξαν ένα πρότυπο για την ανάπτυξη τοπικών δικτύων των 10 Mbps πάνω από οµοαξονικό καλώδιο, το οποίο έµεινε γνωστό ως DIX Ethernet. Σ’ αυτό το πρότυπο στη συνέχεια βασίστηκε και η οµάδα εργασίας της IEEE, για να αναπτύξει την οικογένεια πρωτοκόλλων 802.3. Ο όρος Ethernet που συναντάµε πλέον στα τοπικά δίκτυα αναφέρεται συνήθως καταχρηστικά για να περιγράψει το πρότυπο 802.3 παρά το αρχικό πρότυπο του DIX Ethernet. 5.2.1 ∫·ÙËÁÔڛ˜ ‰ÈÎÙ‡ˆÓ 802.3

Ανάλογα µε την ταχύτητα µετάδοσης πλαισίων, τα τοπικά δίκτυα 802.3 χωρίζονται σε τρεις κατηγορίες: • στα δίκτυα Ethernet, µε ταχύτητα µετάδοσης 10 Mbps, • στα δίκτυα Fast Ethernet, µε ταχύτητα µετάδοσης 100 Mbps, και • στα δίκτυα Gigabit Ethernet, µε ταχύτητα µετάδοσης 1 Gbps. Η τεχνολογία 10 – Gigabit Ethernet (10 Gbps) βρίσκεται στο στάδιο της ανάπτυξης. Το αντίστοιχο πρότυπο (IEEE 802.3ae) αναµένεται να εκδοθεί στα τέλη του 2002. Στις µέρες µας, τα δίκτυα 802.3 υλοποιούνται, είτε µε καλώδια συνεστραµµένων ζευγών, είτε µε οπτικές ίνες. Η φυσική τοπολογία που επιλέγεται είναι του αστέρα, αν και µπορούµε να συναντήσουµε και συνδέσµους Ethernet σηµείου µε σηµείο. Μέχρι τα µέσα της δεκαετίας του 1990, τα δίκτυα Ethernet υλοποιούνταν κυρίως µε οµοαξονικά καλώδια (10Base – 2, 10Base – 5). Αυτός ο τρόπος υλοποίησης εγκαταλείφθηκε για λόγους απόδοσης, ευχρηστίας, κόστους και ανοχής σε αστοχίες υλικού και µαζί του εγκαταλείφθηκε και η φυσική τοπολογία αρτηρίας. Αρτηρία όµως παραµένει η λογική τοπολογία ενός δικτύου Ethernet, γι’ αυτό και συνήθως συµβολίζεται όπως στο σχήµα 5.1.α. Τα πρότυπα δικτύων 802.3 ονοµάζονται µ’ έναν ειδικό τρόπο, ο οποίος συνοψίζει τα χαρακτηριστικά του. Το όνοµα ενός δικτύου αποτελείται από τρία τµήµατα (βλέπε σχήµα 5.5). Το πρώτο τµήµα αντιστοιχεί στην ταχύτητα µετάδοσης, το δεύτερο στην περιοχή συχνοτήτων όπου εκτελείται η µετάδοση του σήµατος και το τρίτο στο φυσικό µέσο µετάδοσης που χρησιµοποιείται για την υλοποίηση του δικτύου. Επειδή, στις τρέχουσες υλοποιήσεις τοπικών δικτύων, το σήµα µεταδίδεται συνήθως στη βασική του ζώνη (baseband), το δεύτερο τµήµα έχει συχνά την τιµή Base. Από όσα γνωρίζουµε, µόνο στα δίκτυα 10Broad – 36 το σήµα µεταδίδεται µε την κατάλληλη διαµόρφωση ενός υψίσυχνου φέροντος. Αυτά τα δίκτυα χρησιµοποιούν ως φυσικό µέσο ένα οµοαξονικό καλώδιο και έχουν πλέον πολύ περιορισµένη χρήση.

5 . 2 ¢ π ∫ ∆ À∞ I E E E 8 0 2 . 3 ( E T H E R N E T )

143

Base =‚ Baseband

™¯‹Ì· 5.5

φυσικό µέσο‚ µετάδοσης

Ο τρόπος ονοµασίας των τοπικών δικτύων 802.3.

ταχύτητα‚ µετάδοσης‚ (σε Mbps)

Το παράδειγµα του σχήµατος αντιστοιχεί σ’ ένα δίκτυο 10 Mbps που υλοποιείται µε καλώδια συνεστραµµένων ζευγών.

10 BASE – T

Στον πίνακα 5.1 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά των πιο συχνά χρησιµοποιούµενων τοπικών δικτύων 802.3: 10Base – T, 100Base – TX, 100Base – FX, 1000Base – T, 1000Base – SX και 1000Base – LX. ¶›Ó·Î·˜ 5.1

Τα χαρακτηριστικά των πιο συχνά χρησιµοποιούµενων τοπικών δικτύων 802.3. Χαρακτηριστικό

10Base – T

100Base – TX

100Base – FX

1000Base – T

1000Base – SX

1000Base – LX

Ρυθµός µετάδοσης

10 Mbps

100 Mbps

100 Mbps

1 Gbps

1 Gbps

1 Gbps

Μέγιστο µήκος τµήµατος (m)

100

100

2000

100

275

5000

2 πολυτροπικές ίνες 62,5/125

4 ζεύγη από UTP cat – 5e ή καλύτερο

2 πολυτροπικές ίνες 62,5/125

2 µονοτροπικές ίνες

Φυσικό µέσο

2 ζεύγη από 2 ζεύγη από UTP cat – 3 ή UTP cat – 5 ή καλύτερο καλύτερο

Κωδικοποίηση σήµατος

Manchester

4B/5B

4B/5B

4B/5B

8B/10B

8B/10B

Τοπολογία υλοποίησης

Αστέρας

Αστέρας

Σηµείου µε σηµείο

Αστέρας

Σηµείου µε σηµείο

Σηµείου µε σηµείο

5.2.2 ∆Ô ˘ÔÂ›Â‰Ô MAC

Όπως έχουµε ήδη προαναφέρει, όλοι οι τύποι δικτύων 802.3 χρησιµοποιούν το µηχανισµό CSMA/CD για τον έλεγχο προσπέλασης του φυσικού µέσου. Επίσης, όλα τα

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

144

δίκτυα 802.3 χρησιµοποιούν τον ίδιο τύπο πλαισίου για τη µεταφορά των δεδοµένων τους, η µορφή του οποίου απεικονίζεται στο σχήµα 5.6.

™¯‹Ì· 5.6

Η µορφή του πλαισίου ΙΕΕΕ 802.3.

7

1

6

6

2

PRE

SOF

DA

SA

LEN

bytes

PRE¡: Πρόθεµα SOF¡: Aρχή Πλαισίου DA¡ : ∆ιεύθυνση προορισµού SA¡ : ∆ιεύθυνση πηγής

46 – 1500 Πλαίσιο LLC

4 PAD

CRC

LEN¡: Mήκος µεταφερόµενων‚ δεδοµένων PAD : Πεδίο πλήρωσης CRC¡: Kώδικας κυκλικού πλεονασµού

Το πρόθεµα του πλαισίου (Preamble, PRE) είναι µία ακολουθία από εναλλασσόµενα 1 και 0, συνολικού µήκους 56 bits, και χρησιµοποιείται για το συγχρονισµό του δέκτη. Το πεδίο SOF (Start Of Frame) περιέχει την ειδική ακολουθία 10101011 και υποδηλώνει την αρχή του πλαισίου. Τα πεδία DA και SA περιέχουν τις διευθύνσεις προορισµού (Destination Address) και πηγής (Source Address) του πλαισίου αντίστοιχα. Η διεύθυνση πηγής προσδιορίζει τον αποστολέα του πλαισίου, ενώ η διεύθυνση προορισµού τον παραλήπτη ή τους παραλήπτες (στην ειδική περίπτωση όπου αυτή είναι οµαδική διεύθυνση). Στο πεδίο LEN (Length) καταχωρείται το µήκος των δεδοµένων που µεταφέρει το πλαίσιο, το οποίο είναι µεταβλητό. Η τιµή του κυµαίνεται µεταξύ 46 και 1500 bytes. Το υποεπίπεδο MAC λαµβάνει δεδοµένα από το υποεπίπεδο Ελέγχου Λογικής Σύνδεσης (Logical Link Control, LLC). Κάθε πλαίσιο LLC επιτρέπεται να είναι µεγέθους µέχρι 1500 bytes. Αν το µέγεθός του είναι λιγότερο από 46 bytes, τότε το επόµενο πεδίο πλήρωσης (PAD) είναι απαραίτητο για να συµπληρωθεί το απαιτούµενο ελάχιστο µήκος των µεταφερόµενων δεδοµένων του πλαισίου. Τέλος, κατά τη σύστασή του, το πλαίσιο εξοπλίζεται µε έναν κώδικα κυκλικού πλεονασµού (CRC), µεγέθους 32 bits, για να διευκολυνθεί η ανίχνευση σφαλµάτων µεταφοράς στο άκρο του παραλήπτη.

5 . 2 ¢ π ∫ ∆ À∞ I E E E 8 0 2 . 3 ( E T H E R N E T )

145

Η διεύθυνση Ethernet Η διεύθυνση ενός δικτύου τύπου Ethernet, όπως π.χ. οι διευθύνσεις προορισµού και πηγής του πλαισίου του σχήµατος 5.6, έχει µήκος 48 bits. Ο πιο συνηθισµένος τρόπος αναγραφής µιας διεύθυνσης Ethernet είναι σε οµάδες των τεσσάρων δεκαεξαδικών αριθµών, οι οποίες διαχωρίζονται µε τελείες (π.χ. 00a0.249b.d5dc). Κάθε διεύθυνση Ethernet είναι, εκ κατασκευής, µοναδική στον κόσµο. Τα πρώτα 24 bit χαρακτηρίζουν µοναδικά τον κάθε κατασκευαστή καρτών δικτύου Ethernet (π.χ. οι διευθύνσεις που ξεκινούν από 00a0.24 αντιστοιχούν σε κάρτες που έχουν κατασκευαστεί από την 3Com). Τα υπόλοιπα 24 bit χαρακτηρίζουν µοναδικά κάθε µία κάρτα του κατασκευαστή. Κάποιες διευθύνσεις Ethernet έχουν δεσµευθεί ως οµαδικές διευθύνσεις, δηλαδή για τις περιπτώσεις όπου έχουµε πολλαπλή αποστολή ή καθολική εκποµπή του πλαισίου. Για παράδειγµα, η διεύθυνση Ethernet ffff.ffff.ffff (δηλαδή, και τα 48 bits να είναι 1) έχει δεσµευθεί ως η διεύθυνση καθολικής εκποµπής στα όρια ενός τοπικού δικτύου Ethernet. Τέλος, αντί για τον όρο «διεύθυνση Ethernet», συχνά συναντούµε στη βιβλιογραφία τον ταυτόσηµο όρο «διεύθυνση MAC στο δίκτυο Ethernet». Η απόδοση του CSMA/CD Η απόδοση ενός πρωτοκόλλου ελέγχου προσπέλασης του φυσικού µέσου ορίζεται ως το µέσο ποσοστό χρόνου κατά τον οποίο κάποιος από τους διασυνδεδεµένους κόµβους µεταδίδει πλαίσια στο τοπικό δίκτυο, υποθέτοντας ότι πάντα υπάρχουν πακέτα προς µετάδοση. Τον υπόλοιπο χρόνο, οι κόµβοι είτε συγκρούονται, είτε βρίσκονται σε κατάσταση αναµονής εξαιτίας της υποχώρησης µετά από σύγκρουση. Αν συµβολίσουµε µε TRANSP το χρόνο µετάδοσης ενός πλαισίου και µε PROP το µέγιστο χρόνο διάδοσής του κατά µήκος του κοινού φυσικού µέσου, τότε έχει αποδειχθεί ότι η απόδοση ηCSMA.CD του πρωτοκόλλου CSMA/CD, υπό καταστάσεις υψηλού φόρτου του δικτύου, µπορεί να προσεγγιστεί από τη σχέση hCSMA.CD =

1 1 + 5a

(5.1)

PROP . TRANSP Για την απόδειξη της σχέσης (5.1), ο αναγνώστης παραπέµπεται στην ανάλυση που περιγράφεται στην Ενότητα 4.8 του βιβλίου του Walrand (1998). µε a :=

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

146

¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 5.1 Ας θεωρήσουµε ένα τοπικό δίκτυο 100Base – TX, στο οποίο τα µεταφερόµενα πλαίσια έχουν µήκος P = 624 bits. Γνωρίζοντας ότι η ταχύτητα διάδοσης του σήµατος σε καλώδια συνεστραµµένων ζευγών κατηγορίας 5 είναι περίπου ίση µε 2,1 ¥ 105 Km/s, υπολογίστε την απόδοση του πρωτοκόλλου CSMA/CD σ’ αυτό το δίκτυο. Σύµφωνα µε τον πίνακα 5.1, ο ρυθµός µετάδοσης πλαισίων στα δίκτυα 100Base – TX είναι ίσος µε R = 100 Mbps. Οπότε, ο χρόνος µετάδοσης ενός πλαισίου ισούται µε TRANSP = P/R ≈ 5,9 ¥ 10 – 6 sec. Επίσης, γνωρίζουµε ότι τα δίκτυα 100Base – TX υλοποιούνται σε τοπολογία αστέρα, µε µέγιστο µήκος τµήµατος τα 100 m. Οπότε, ο χρόνος διάδοσης ενός bit από άκρο σε άκρο του τοπικού δικτύου ισούται µε PROP = (2 ¥ 100) / (2,1 ¥ 108) ≈ 10 – 6 sec. Από τη σχέση (5.1) υπολογίζουµε ότι η απόδοση του CSMA/CD στο παραπάνω δίκτυο είναι ίση µε hCSMA.CD =

1 ª 54% 10 -6 1+ 5 5, 9 ¥ 10 -6

Έτσι, παρατηρούµε ότι ο ενεργός ρυθµός µετάδοσης πλαισίων σ’ ένα δίκτυο 100Base – TX, υπό συνθήκες υψηλού φόρτου, είναι µόλις το 54% των 100 Mbps, δηλαδή 54 Mbps. Επίσης, αν λάβουµε υπόψη µας ότι από τα 624 bits του πλαισίου, τα 208 από αυτά αποτελούν την επιβάρυνση της εφαρµοζόµενης πλαισίωσης στο υποεπίπεδο MAC, τότε µόνο ένα ποσοστό (624 – 208) / 624 ≈ 67% από τα µεταφερόµενα bits αφορούν δεδοµένα του χρήστη. Έτσι, ο ενεργός ρυθµός µετάδοσης πλαισίων µειώνεται ακόµα περισσότερο, στα 67% ¥ 54 Mbps ≈ 36 Mbps. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 5.3 Πώς επηρεάζεται η απόδοση του πρωτοκόλλου CSMA/CD από: (α) το µήκος του τοπικού δικτύου, (β) το ρυθµό µετάδοσης πλαισίων και (γ) το µέγεθος πλαισίου;

5 . 2 ¢ π ∫ ∆ À∞ I E E E 8 0 2 . 3 ( E T H E R N E T )

5.2.3 ÀÏÔÔ›ËÛË ‰ÈÎÙ‡ˆÓ Ethernet Ì ÌÂÙ·ÁˆÁ›˜

Σύµφωνα µε όσα έχουµε πει µέχρι τώρα, τα τοπικά δίκτυα Ethernet υλοποιούνται συνήθως σε τοπολογία αστέρα. Στο κέντρο του αστέρα βρίσκεται µία ειδική συσκευή, η οποία ονοµάζεται συγκεντρωτής (hub). Ο συγκεντρωτής είναι εξοπλισµένος µε πολλές θύρες και υλοποιεί το διαµοιρασµό του µέσου πολλαπλής πρόσβασης προωθώντας το πλαίσιο που λαµβάνει από µία θύρα του σε όλες τις υπόλοιπες θύρες. Ως άµεση συνέπεια του µηχανισµού CSMA/CD, µόνο ένας κόµβος µπορεί να µεταδίδει δεδοµένα στο δίκτυο σε µία αυθαίρετη χρονική στιγµή. Η απόδοση ενός δικτύου Ethernet µπορεί να βελτιωθεί, εάν υλοποιηθεί µε µεταγωγέα (switch) αντί για συγκεντρωτή. Ο µεταγωγέας, αντί να προωθεί ένα εισερχόµενο πλαίσιο σε όλους τους κόµβους που διασυνδέονται σ’ αυτόν, το προωθεί µόνο προς τον παραλήπτη του. Συγκεκριµένα, κατά την άφιξη ενός πλαισίου σε κάποια από τις θύρες του, ο µεταγωγέας εκτελεί τα παρακάτω βήµατα: 1. ∆ιαβάζει τη διεύθυνση προορισµού του πλαισίου. 2. Προσδιορίζει τον κατάλληλο εξερχόµενο σύνδεσµο. 3. Εάν ο εξερχόµενος σύνδεσµος είναι αδρανής, τότε προωθεί το πλαίσιο σ’ αυτόν προς µετάδοση. Αν είναι απασχοληµένος, τότε υποχωρεί και επιχειρεί τη µετάδοση του πλαισίου µετά από τυχαίο χρόνο, σύµφωνα µε το CSMA/CD. Οι µεταγωγείς Ethernet σχεδιάζονται έτσι ώστε να παρέχουν τη δυνατότητα πολλαπλών µεταδόσεων ανά χρονική στιγµή, αρκεί τα µεταδιδόµενα πλαίσια να εκπέµπονται από διαφορετικό σύνδεσµο. Έτσι, µε αυτές τις ταυτόχρονες µεταδόσεις πλαισίων, επιτυγχάνεται η προαναφερόµενη βελτίωση στην απόδοση του δικτύου. Η απαιτούµενη καλωδίωση και η διεπαφή των υπολογιστών µε το δίκτυο είναι ακριβώς οι ίδιες στα δύο σενάρια υλοποίησης του τοπικού δικτύου: και στην περίπτωση που χρησιµοποιηθεί µεταγωγέας, και στην περίπτωση του συγκεντρωτή. Στις µέρες µας, µε την καθολική επικράτηση των δικτυακών εφαρµογών και των ∆ιαδικτυακών υπηρεσιών, υπάρχει µία γενικευµένη τάση αντικατάστασης των συγκεντρωτών από µεταγωγείς. ∆ιασύνδεση δικτύων Ethernet µε µεταγωγείς Εκτός από µεµονωµένους κόµβους, στις θύρες ενός µεταγωγέα Ethernet µπορούν να συνδεθούν και δίκτυα υπολογιστών, αναπτύσσοντας έτσι ένα µεγαλύτερο τοπικό δίκτυο (βλέπε το παράδειγµα του σχήµατος 5.7).

147

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

148

A

E

™¯‹Ì· 5.7

Οι µεταγωγείς µπορούν να χρησιµοποιηθούν για τη διασύνδεση επιµέρους τοπικών δικτύων, επιτυγχάνοντας έτσι τη δηµιουργία αυτόνοµων περιοχών συγκρούσεων. Αυτό έχει σαν συνέπεια την αύξηση της απόδοσης του εκτεταµένου τοπικού δικτύου, σε σύγκριση µε την περίπτωση όπου το εκτεταµένο τοπικό δίκτυο θα αναπτύσσονταν µε τη χρήση συγκεντρωτή.

θύρα 1 B θύρα 2

Mεταγωγέας Ethernet

θύρα 3 Γ θύρα 4 ∆

Σε µια τέτοια υλοποίηση, δηµιουργούνται αποµονωµένες περιοχές συγκρούσεων (collision domains), οι οποίες βελτιώνουν την απόδοση του τοπικού δικτύου σε σχέση µε την υλοποίηση που βασίζεται σε συγκεντρωτή. Και αυτό, γιατί στην τελευταία περίπτωση έχουµε ένα διαµοιραζόµενο µέσο σ’ όλη την έκταση του τοπικού δικτύου, για τη χρήση του οποίου συγκρούονται όλοι οι διασυνδεδεµένοι κόµβοι. ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 5.2 Ας θεωρήσουµε το εκτεταµένο τοπικό δίκτυο του σχήµατος 5.7, το οποίο έχει αναπτυχθεί διασυνδέοντας τέσσερα επιµέρους τοπικά δίκτυα Ethernet διαµέσου ενός µεταγωγέα. Εάν ο κόµβος Α θέλει να µεταβιβάσει δεδοµένα στον κόµβο Β, τότε ο µεταγωγέας προωθεί τα αντίστοιχα πλαίσια από τη θύρα 1 στη θύρα 2, χωρίς να απασχολήσει καθόλου τα δίκτυα των θυρών 3 και 4 για το πλαίσια που προορίζονται για τον κόµβο Β. Εάν ο κόµβος Γ θελήσει να στείλει δεδοµένα στον κόµβο ∆, την ίδια χρονική στιγµή που ο Α µεταβιβάζει τα δικά του δεδοµένα στον Β, τότε κανένα πρόβληµα. Εκ κατασκευής, ο µεταγωγέας µπορεί ταυτόχρονα να µεταβιβάζει πλαίσια µε διαφορετικούς προορισµούς. Εάν ο κόµβος Α θελήσει να επικοινωνήσει µε τον κόµβο Ε, τότε η συνοµιλία γίνεται στο τοπικό τους υποδίκτυο και ο µεταγωγέας δεν προωθεί κανένα πλαίσιο από τη µεταξύ τους συνοµιλία. Στο εκτεταµένο τοπικό δίκτυο του σχήµατος 5.7 υπάρχουν τέσσερις περιοχές συγκρούσεων: µία σε κάθε ένα επιµέρους τοπικό δίκτυο. Εάν στη θέση του µετα-

5 . 2 ¢ π ∫ ∆ À∞ I E E E 8 0 2 . 3 ( E T H E R N E T )

γωγέα είχαµε χρησιµοποιήσει συγκεντρωτή, τότε θα είχαµε µόνο µία περιοχή συγκρούσεων, γεγονός που θα υποβάθµιζε την απόδοση του εκτεταµένου δικτύου σε περιπτώσεις υψηλού φόρτου. Τέλος, αξίζει να αναφέρουµε ότι πολλοί µεταγωγείς του εµπορίου είναι εξοπλισµένοι µε θύρες διαφόρων τεχνολογιών Ethernet (π.χ. 24 θύρες 10Base – T και δύο θύρες 100Base – TX), προσφέροντας έτσι και το κατάλληλο µέσο γεφύρωσης τοπικών δικτύων διαφορετικών τεχνολογιών. 5.2.4 π‰Â·Ù¿ ÙÔÈο ‰›ÎÙ˘· (VLANs)

Στα τοπικά δίκτυα, µία στοιχειώδης έννοια είναι η περιοχή καθολικής εκποµπής (broadcast domain), η οποία ορίζεται ως το σύνολο των διασυνδεδεµένων κόµβων που µπορούν να λάβουν το πλαίσιο καθολικής εκποµπής του δικτύου (δηλαδή, για την περίπτωση των δικτύων Ethernet, που µπορούν να λάβουν το πλαίσιο µε διεύθυνση προορισµού την ffff.ffff.ffff). Σύµφωνα µε όσα έχουµε δει ως τώρα, όλοι οι κόµβοι που συνδέονται σ’ ένα τοπικό δίκτυο Ethernet συνθέτουν την αντίστοιχη περιοχή καθολικής εκποµπής του δικτύου. Επίσης, στο εκτεταµένο τοπικό δίκτυο του σχήµατος 5.7, υπάρχει µόνο µία περιοχή καθολικής εκποµπής – ασχέτως αν υπάρχουν τέσσερις διαφορετικές περιοχές συγκρούσεων. Το ιδεατό τοπικό δίκτυο (virtual LAN – VLAN) έρχεται να καλύψει την ανάγκη δηµιουργίας πολλαπλών και ανεξάρτητων περιοχών καθολικής εκποµπής µεταξύ υπολογιστών, ανεξάρτητα από τη φυσική τους τοποθέτηση. ∆ηλαδή, πάνω στο ίδιο µέσο πολλαπλής πρόσβασης µπορούν να δηµιουργηθούν πολλά VLANs ή ένα VLAN µπορεί να υπάρξει µεταξύ υπολογιστών που διασυνδέονται σε ανεξάρτητα και αποµακρυσµένα φυσικά µέσα. Με τη δηµιουργία VLANs επιτυγχάνουµε την οµαδοποίηση των χρηστών σε οµοειδή λειτουργικά σύνολα, ανεξάρτητα από το που βρίσκονται οι υπολογιστές τους. Το σηµαντικό όφελος από αυτό το διαχωρισµό είναι η αυξηµένη προστασία από κακόβουλη ή εσφαλµένη χρήση του δικτύου. Η σύσταση ενός VLAN πραγµατοποιείται διαµέσου του λογισµικού των δικτυακών συσκευών. Έτσι, είναι πολύ εύκολη η ανασύστασή του σε περιπτώσεις όπου π.χ. αλλάζει γραφείο ένας υπάλληλος ή προστίθεται ένα νέο µέλος σε µία οµάδα. Για τα ιδεατά τοπικά δίκτυα, η IEEE εξέδωσε το πρότυπο 802.1Q (1996), το οποίο αποτελεί τον ακρογωνιαίο λίθο για την υλοποίηση VLANs χρησιµοποιώντας εξοπλισµό από διαφορετικούς κατασκευαστές.

149

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

150

¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 5.3

™¯‹Ì· 5.8

Ένα παράδειγµα εκτεταµένου τοπικού δικτύου στο οποίο έχουν αναπτυχθεί ιδεατά τοπικά δίκτυα (VLANs).

Ας θεωρήσουµε το εκτεταµένο τοπικό δίκτυο του σχήµατος 5.8, το οποίο καλύπτει και τους έξι ορόφους των εγκαταστάσεων µιας επιχείρησης. Τα επιµέρους τοπικά δίκτυα των ορόφων 1, 2 και 3 είναι 10Base – T και έχουν υλοποιηθεί µε µεταγωγέα (Α, Β και Γ αντίστοιχα). Στους ορόφους 4, 5 και 6 έχει εγκατασταθεί καλωδίωση σε µορφή αστέρα, µε το κεντρικό σηµείο να βρίσκεται στον 5ο όροφο, εξοπλισµένο επίσης µε ένα µεταγωγέα 10Base – T (µεταγωγέας ∆). Οι µεταγωγείς των ορόφων συνδέονται µε τον κεντρικό µεταγωγέα Ε, υλοποιώντας έτσι το δίκτυο κορµού της επιχείρησης. Για αποφυγή εµφάνισης περιστατικών συµφόρησης, το δίκτυο κορµού έχει επιλεγεί ταχύτερο (100 Mbps) απ’ ό,τι το δίκτυο διανοµής (10 Mbps).

VLAN 20

10 Mbps

6ος όροφος

θ–2

Mεταγωγέας ∆

VLAN 10 θ–4 θ–7

10 Mbps

θ–9 θ–8

VLAN 10 ‚ 10 VLAN

θ–10

5ος όροφος

100 Mbps

VLAN 20

10 Mbps

4ος όροφος

Mεταγωγέας Γ

θ–1

Mεταγωγέας E

100 Mbps θ–3

10 Mbps

3ος όροφος

100 Mbps θ–1 Mεταγωγέας B

VLAN 10 θ–2 VLAN 20

θ–4

100 Mbps

10 Mbps

2ος όροφος

Mεταγωγέας A

10 Mbps

1ος όροφος

5 . 2 ¢ π ∫ ∆ À∞ I E E E 8 0 2 . 3 ( E T H E R N E T )

Στον 2ο, 4ο και 6ο όροφο έχουν εγκατασταθεί οι τεχνικοί διευθυντές των τµηµάτων Έρευνας & Ανάπτυξης, Υποστήριξης και Προµηθειών της επιχείρησης αντίστοιχα, οι οποίοι επιθυµούν να είναι τελείως ανεξάρτητοι από το υπόλοιπο δίκτυο της επιχείρησης και να έχουν µόνο µεταξύ τους δυνατότητα επικοινωνίας. Επίσης, τέσσερις µηχανικοί του τµήµατος Έρευνας (που βρίσκονται στον 2ο, 4ο, 4ο και 5ο όροφο αντίστοιχα) θέλουν να δοκιµάσουν εκτεταµένα µία νέα δικτυακή εφαρµογή που ανέπτυξαν. Αυτή η εφαρµογή ενδεχοµένως να παρουσιάζει πλήθος λειτουργικών σφαλµάτων, τα οποία ίσως καταπονήσουν τη λειτουργία του δικτύου κατά την προβληµατική συµπεριφορά τους. Μία λύση στις παραπάνω απαιτήσεις σχεδίασης θα ήταν η εγκατάσταση 3 ανεξάρτητων τοπικών δικτύων: ένα για τους τεχνικούς διευθυντές, ένα για τις δοκιµές των µηχανικών του τµήµατος Έρευνας και ένα για όλους τους υπόλοιπους. Μία εναλλακτική λύση θα ήταν να αναπτύσσαµε ιδεατά τοπικά δίκτυα, αρκεί αυτή η δυνατότητα να υποστηρίζεται από τους εγκατεστηµένους µεταγωγείς. Έτσι, θα µπορούσαµε να έχουµε το VLAN 20 για τους διευθυντές, το VLAN 10 για τους µηχανικούς και όλοι οι υπόλοιποι θα αποτελούσαν το εξ' ορισµού VLAN (default VLAN) του εκτεταµένου τοπικού δικτύου (βλέπε σχήµα 5.8). Η ετικέτα VLAN στα πλαίσια Ethernet Το 1998, η IEEE ενέκρινε και εξέδωσε το πρότυπο 802.3ac, το οποίο προσδιορίζει τη µορφή που πρέπει να έχει ένα πλαίσιο Ethernet, έτσι ώστε να µπορεί να υποστηρίζει την ανάπτυξη VLANs. Σύµφωνα µ’ αυτό το πρότυπο, το πλαίσιο 802.3 του σχήµατος 5.6 επεκτείνεται κατά 4 bytes, έτσι ώστε να συµπεριλάβει την απαραίτητη ετικέτα (VLAN tag), η οποία προσδιορίζει το ιδεατό δίκτυο στο οποίο ανήκει το πλαίσιο. Η ετικέτα VLAN παρεµβάλλεται µεταξύ της διεύθυνσης πηγής και του πεδίου µήκους (βλέπε σχήµα 5.9). Τα πρώτα δύο bytes της επιπρόσθετης πληροφορίας περιέχουν πάντα την τιµή 0x8100, η οποία είναι µία δεσµευµένη ακολουθία που υποδηλώνει την ύπαρξη της ετικέτας. Η ετικέτα VLAN περιέχεται στα 12 τελευταία bits της επιπρόσθετης πληροφορίας. Τα υπόλοιπα bits περιέχουν κάποιες πληροφορίες ελέγχου, όπως π.χ. το επίπεδο προτεραιότητας εξυπηρέτησης του πλαισίου.

151

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

152

7

1

6

6

2

2

2

PRE

SOF

DA

SA

802.1Q‚ Tag type

VLAN‚ Tag

LEN

bytes 46 – 1500 Πλαίσιο LLC

4 PAD

CRC

™¯‹Ì· 5.9

Η µορφή του πλαισίου IEEE 802.3 όταν επεκτείνεται για να συµπεριλάβει την απαραίτητη πληροφορία για την υποστήριξη ιδεατών δικτύων (VLANs).

Ας επανέλθουµε τώρα στο παράδειγµα του σχήµατος 5.8. Το VLAN 10 παρατηρούµε ότι αποτελείται από τις θύρες 4, 7 και 8 του µεταγωγέα ∆ και από τη θύρα 2 του µεταγωγέα Β. Τα πλαίσια που ανταλλάσσονται µεταξύ των θυρών 4, 7 και 8 του µεταγωγέα ∆ έχουν τη βασική µορφή του πλαισίου 802.3 (βλέπε σχήµα 5.6). Στο µεταγωγέα ∆, εάν κάποιο πλαίσιο αποσταλεί από τις θύρες 4, 7 και 8 και έχει ως προορισµό το σύστηµα της θύρας 2 του µεταγωγέα Β, τότε αυτό το πλαίσιο επεκτείνεται έτσι ώστε να συµπεριλάβει στην επικεφαλίδα του την ετικέτα VLAN 10 και προωθείται στο µεταγωγέα Ε. Ο µεταγωγέας Ε αναγνωρίζει από την ετικέτα ότι το πλαίσιο ανήκει στο VLAN 10 και το προωθεί στον µεταγωγέα Β. Με τη σειρά του, ο µεταγωγέας Β διαβάζει την ετικέτα VLAN, την αποµακρύνει από την επικεφαλίδα και προωθεί το πλαίσιο, στη βασική πλέον µορφή του, στη θύρα 2.

¢Ú·ÛÙËÚÈfiÙËÙ· 5.2 Έστω ότι τα γραφεία µίας επιχείρησης είναι συγκεντρωµένα σε δύο κτίρια, συνολικής επιφάνειας περίπου 200 m2 το καθένα και απέχουν µεταξύ τους 2 Km. Περιγράψτε έναν τρόπο ανάπτυξης ενός τοπικού δικτύου Ethernet µεταξύ των υπολογιστών της επιχείρησης.

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 5.4 Συµπληρώστε τα κενά στις επόµενες προτάσεις: (α)Το συνολικό µήκος ενός πλαισίου IEEE 802.3 κυµαίνεται µεταξύ _________ και _________ bytes. (β) Έστω ότι το επίπεδο MAC λαµβάνει προς µετάδοση 3 πακέτα από το επίπεδο LLC. Εάν τα µήκη των πακέτων είναι ίσα µε 96, 32 και 1500 bytes, τότε το πεδίο πλήρωσης στα προκύπτοντα πλαίσια MAC θα έχει µήκος ίσο µε _________, _________ και _________ bytes αντίστοιχα. (γ) Έστω ότι ένα δίκτυο 10Base – T αποτελείται από δύο κόµβους και το µήκος του

5 . 3 ¢ π ∫ ∆ À∞ ¢ A ∫ ∆ À § π √ À ª ∂ ∫ √ À ¶ √ ¡ π

πλαισίου είναι ίσο µε 800 bits. Αν υποθέσουµε ότι δεν υπάρχει καµία άλλη µορφή επικοινωνίας µεταξύ κόµβων, τότε µπορούµε να υπολογίσουµε ότι ο χρόνος που απαιτείται για τη µεταφορά ενός αρχείου 10 GB από τον ένα κόµβο στον άλλο είναι ίσος µε _________ δευτερόλεπτα. (δ) Έστω το εκτεταµένο τοπικό δίκτυο του σχήµατος 5.8. Εάν όλοι οι κόµβοι είναι συστήµατα MS – Windows και ο χρήστης που είναι συνδεδεµένος στη θύρα 2 του µεταγωγέα Β επιλέξει να δει την Περιοχή ∆ικτύου (Network Neighborhood), τότε θα διαπιστώσει ότι αυτή αποτελείται από τα συστήµατα _________. (ε) Οι κόµβοι του εκτεταµένου τοπικού δικτύου του σχήµατος 5.8 _________ να υποστηρίζουν την ύπαρξη ετικέτας VLAN στα πλαίσια Ethernet που διακινούν.

5.3 ¢›ÎÙ˘· ‰aÎÙ˘Ï›Ô˘ Ì ÎÔ˘fiÓÈ

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτήν την ενότητα θα µπορείτε να : • ορίσετε τα δίκτυα τύπου δακτυλίου µε κουπόνι, • περιγράψετε τον τρόπο λειτουργίας ενός δακτυλίου µε κουπόνι, • εξηγήσετε τον τρόπο διαχείρισης ενός δακτυλίου µε κουπόνι, • ορίσετε τον χρόνο κράτησης κουπονιού και να δικαιολογήσετε την ύπαρξή του, • προσδιορίσετε τη µορφή του πλαισίου στα δίκτυα IEEE 802.5, • ορίσετε την απόδοση ενός δακτυλίου µε κουπόνι και το µέγιστο χρόνο προσπέλασης στο φυσικό µέσο και να αναφέρετε τις παραµέτρους που τα επηρεάζουν. Η τεχνολογία του δακτυλίου µε κουπόνι (token ring) αναπτύχθηκε από την IBM στις αρχές της δεκαετίας του 1980 και αποτελούσε µέχρι πρόσφατα την κύρια επιλογή της για τις εγκαταστάσεις τοπικών δικτύων. Η αποδοχή των δικτύων τύπου δακτυλίου µε κουπόνι ήταν µεγάλη και αυτό οδήγησε την IEEE να θεσπίσει το πρότυπο 802.5, το οποίο είναι σχεδόν ταυτόσηµο και συµβατό µε το πρωτόκολλο της IBM. Τα δίκτυα IEEE 802.5 έχουν τη λογική τοπολογία του δακτυλίου (βλέπε σχήµα 5.1.β), ενώ πλέον υλοποιούνται ως αστέρας χρησιµοποιώντας ως φυσικό µέσο καλώδια συνεστραµµένων ζευγών ή οπτικές ίνες. Ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων στο

153

154

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

δίκτυο µπορεί να είναι 4 Mbps ή 16 Mbps, ενώ υπάρχει ο περιορισµός των 250 κόµβων ανά δακτύλιο. 5.3.1 √ ÙÚfiÔ˜ ÏÂÈÙÔ˘ÚÁ›·˜ ÙÔ˘ ‰·ÎÙ˘Ï›Ô˘ Ì ÎÔ˘fiÓÈ

Όπως άλλωστε διαφαίνεται από το όνοµά τους, στα δίκτυα τύπου δακτυλίου µε κουπόνι ο έλεγχος προσπέλασης του φυσικού µέσου διενεργείται µε το πέρασµα κουπονιού. Ο τρόπος λειτουργίας των δικτύων τύπου δακτυλίου µε κουπόνι δίδεται παραστατικά στο σχήµα 5.10. Ένα ειδικό πλαίσιο, το οποίο ονοµάζεται κουπόνι, περιστρέφεται γύρω από δακτύλιο. Όταν ένας κόµβος έχει δεδοµένα προς µετάδοση, περιµένει πότε θα φτάσει το κουπόνι σε αυτόν. Τότε, δεσµεύει το κουπόνι και το αντικαθιστά µε µία άλλη ειδική ακολουθία bits που υποδηλώνει την αρχή ενός πλαισίου δεδοµένων, ενώ ακολουθεί η µετάδοση του υπόλοιπου πλαισίου. Η δέσµευση και αποµάκρυνση του µοναδικού κουπονιού από τον κόµβο που µεταδίδει δεδοµένα στο δίκτυο, εξασφαλίζει τη µοναδικότητα της προσπέλασης στο φυσικό µέσο. Εξαιτίας του µικρού µήκους του δακτυλίου και της υψηλής ταχύτητας µετάδοσης δεδοµένων σ’ αυτόν, ένα πλαίσιο δεν εµφανίζεται ποτέ ολόκληρο στο δακτύλιο σε µία αυθαίρετη χρονική στιγµή. Αυτό διευκολύνει το χειρισµό των επιβεβαιώσεων λήψης σ’ ένα δακτύλιο. Για παράδειγµα, ο κόµβος προορισµού µπορεί να ενσωµατώσει την επιβεβαίωση λήψης στο τέλος του πλαισίου, ελέγχοντάς το «στον αέρα», δηλαδή κατά το χρόνο που διέρχεται από αυτόν. Τέλος, κατά την εγκατάσταση ενός δακτυλίου µε κουπόνι ορίζεται ο χρόνος κράτησης κουπονιού θ. Αυτός ο χρόνος είναι µία παράµετρος της εγκατάστασης και προσδιορίζει το µέγιστο χρονικό διάστηµα που ένας κόµβος επιτρέπεται να δεσµεύει το κουπόνι. Εάν µετά τη µετάδοση του πρώτου πλαισίου υπάρχει αρκετός χρόνος για τη µετάδοση και άλλων πλαισίων, τότε αυτά µπορούν επίσης να σταλούν. Με την παρέλευση του χρόνου θ, το κουπόνι αποδεσµεύεται και µεταδίδεται στο δακτύλιο. Φυσικά, εάν δεν υπάρχουν πλαίσια προς µετάδοση σε αναµονή, ο κόµβος µπορεί να αποδεσµεύσει το κουπόνι και πριν την εκπνοή του χρόνου θ. Στο πρότυπο IEEE 802.5, η εξ ορισµού τιµή του χρόνου κράτησης κουπονιού έχει οριστεί στα θ = 10 msec.

5 . 3 ¢ π ∫ ∆ À∞ ¢ A ∫ ∆ À § π √ À ª ∂ ∫ √ À ¶ √ ¡ π

155

∆ιαχείριση του δακτυλίου (α) Tο κουπόνι κ περιστρέφεται‚ στο δακτύλιο και ο κόµβος A† έχει δεδοµένα προς µετάδοση

™¯‹Ì· 5.10

(β) O κόµβος A δεσµεύει το κουπόνι κ† και το µεταρέπει σε πεδίο έναρξης‚ πλαισίου SF

Ο τρόπος λειτουργίας του δακτυλίου µε κουπόνι (IEEE 802.5).

κ SF A

δεδοµένα A

πλαίσιο κ A (γ) O κόµβος A µεταδίδει‚ το πλαίσιο.

A (δ) Συνήθως, το πρώτο bit του‚ πλαισίου κινείται γύρω στο‚ δακτύλιο και επιστρέφει στον‚ αποστολέα πριν ολοκληρωθεί η‚ µετάδοση του πλαισίου.

A (ε) Mετά την παρέλευση‚ προκαθορισµένου χρόνου ο‚ κόµβος A αποδεσµεύει το ‚ κουπόνι.

Η διαχείριση του δακτυλίου µε κουπόνι δεν είναι κατανεµηµένη. Αντίθετα, σε κάθε δακτύλιο υπάρχει ένας κόµβος επόπτης, ο οποίος εποπτεύει την ορθή λειτουργία του δακτυλίου. Ο κόµβος επόπτης επιβεβαιώνει την ύπαρξη του κουπονιού και την απουσία κατεστραµµένων ή «ορφανών» πλαισίων. Το ορφανό πλαίσιο εµφανίζεται στην περίπτωση που ένας κόµβος καταρρεύσει, πριν προλάβει να απορροφήσει πλήρως το πλαίσιο που µετέδωσε. Σ’ αυτήν την περίπτωση, εάν δεν επέµβει ο επόπτης του δακτυλίου, το ορφανό πλαίσιο θα εκτελεί κύκλους για πάντα. Εάν N είναι το πλήθος των διασυνδεδεµένων κόµβων στο δακτύλιο, τότε η απουσία του κουπονιού µπορεί εύκολα να εντοπιστεί, εάν δεν περάσει το κουπόνι από τον επόπτη κόµβο µέσα σε χρόνο N ¥ θ. Μετά την πάροδο αυτού του χρόνου, ο επόπτης αδειάζει το δακτύλιο και εισάγει νέο κουπόνι. Εάν ο επόπτης εντοπίσει ένα πλαίσιο που δεν ακολουθεί την προκαθορισµένη µορφή

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

156

του IEEE 802.5, τότε θεωρεί ότι το πλαίσιο αλλοιώθηκε και το αποµακρύνει, εισάγοντας ένα νέο κουπόνι στο δίκτυο. Το ίδιο συµβαίνει και στην περίπτωση που αποδειχθεί σφάλµα µεταφοράς κατά τον έλεγχο του κώδικα κυκλικού πλεονασµού του πλαισίου. Τα ορφανά πλαίσια εντοπίζονται µε την ακόλουθη τεχνική. Όταν ένα πλαίσιο περνάει από τον επόπτη κόµβο, τότε αυτός το µαρκάρει θέτοντας µία συγκεκριµένη τιµή στην επικεφαλίδα του. Εάν περάσει από τον επόπτη ένα πλαίσιο µαρκαρισµένο ως ανωτέρω, τότε χαρακτηρίζεται ως ορφανό και ο επόπτης το αποµακρύνει από το δακτύλιο και εισάγει ένα νέο κουπόνι. Κάθε κόµβος που διασυνδέεται σ’ ένα δακτύλιο µε κουπόνι έχει, εκ κατασκευής, εποπτικές δυνατότητες. Ο επόπτης ενός δακτυλίου στέλνει περιοδικά κάποια ειδικά πλαίσια ελέγχου (AMP – active monitor present), τα οποία υποδηλώνουν την παρουσία επόπτη. Η απουσία πλαισίων AMP υποδηλώνει την κατάρρευση του επόπτη. Σ’ αυτή την περίπτωση, όλοι οι κόµβοι στέλνουν ένα άλλο ειδικό πλαίσιο ελέγχου (CT – claim token), µε το οποίο δηλώνουν την επιθυµία τους να γίνουν ο επόπτης του δακτυλίου. Ένα πρωτόκολλο διαιτησίας εξασφαλίζει τη γρήγορη επιλογή του νέου επόπτη. 5.3.2 ∆Ô ˘ÔÂ›Â‰Ô MAC

Στα δίκτυα IEEE 802.5 χρησιµοποιείται ο µηχανισµός περάσµατος κουπονιού για τον έλεγχο προσπέλασης του φυσικού µέσου. Επίσης, στα δίκτυα 802.5 υπάρχουν δύο τύποι πλαισίων: ένας για το κουπόνι και ένας για τα δεδοµένα (σχήµα 5.11). Η αρχή και το τέλος του πλαισίου οριοθετούνται µε τις ειδικές ακολουθίες SD (Start Delimiter) και ED (End Delimiter), µήκους 8 bits η καθεµία. Το πεδίο AC (Access Control) χρησιµοποιείται κατά τον έλεγχο προσπέλασης του φυσικού µέσου. Συγκεκριµένα, περιέχει το bit κουπονιού και το bit επόπτη. Όταν το bit κουπονιού έχει την τιµή 1, τότε το πλαίσιο είναι το κουπόνι του δακτυλίου, ενώ, στην άλλη περίπτωση, το πλαίσιο µεταφέρει δεδοµένα. Το bit επόπτη χρησιµοποιείται για το χαρακτηρισµό των ορφανών πλαισίων. Τα υπόλοιπα bits του πεδίου AC χρησιµοποιούνται για την υλοποίηση διαφόρων σχηµάτων προτεραιότητας εξυπηρέτησης στο δακτύλιο. Ο χειρισµός των πλαισίων µε διάφορα επίπεδα προτεραιότητας στο δακτύλιο µε κουπόνι είναι εξαιρετικά πολύπλοκος και σπάνια εφαρµόζεται στα πραγµατικά δίκτυα. Το πεδίο FC (Frame Control) χρησιµοποιείται για να διαχωρίσει την επικεφαλίδα του πλαισίου από τα δεδοµένα. Ακολουθούν οι διευθύνσεις προορισµού (Destination Address, DA) και πηγής

5 . 3 ¢ π ∫ ∆ À∞ ¢ A ∫ ∆ À § π √ À ª ∂ ∫ √ À ¶ √ ¡ π

157

(Source Address, SA) του πλαισίου αντίστοιχα, οι οποίες έχουν την ίδια µορφή µε τις διευθύνσεις ΙΕΕΕ 802.3 και στη συνέχεια τα δεδοµένα του πλαισίου. Όσον αφορά, στη µορφή του πλαισίου, δεν υπάρχει περιορισµός στο εύρος των επισυναπτόµενων δεδοµένων. Ο περιορισµός υπεισέρχεται µόνο από το χρόνο κράτησης κουπονιού. Ο κώδικας CRC προστατεύει τις διευθύνσεις και τα δεδοµένα από τα σφάλµατα µεταφοράς. ™¯‹Ì· 5.11

bytes

Η µορφή των πλαισίων ΙΕΕΕ 802.5. Το κουπόνι του δακτυλίου παίρνει τη µορφή (α), ενώ το πλαίσιο δεδοµένων τη µορφή (β).

1

AC

ED

1

1

1

6

6

AC

FC

(α) κουπόνι

SD

1

SD

1

DA

SA

Πλαίσιο LLC

4

1

1

CRC

FS

≥0

ED

bytes

(β) πλαίσιο δεδοµένων SD¡¡: Όριο αρχής πλαισίου

SA¡ ¡ : ∆ιεύθυνση πηγής

AC¡¡¡: Έλεγχος προσπέλασης

CRC¡: Kώδικας κυκλικού πλεονασµού

FC¡¡¡: Έλεγχος πλαισίου

ED¡¡¡: Όριο τέλους πλαισίου

DA¡ : ∆ιεύθυνση προορισµού

FS¡¡¡ : Kατάσταση πλαισίου

Το πεδίο κατάστασης πλαισίου (Frame Status, FS) έχει µία ενδιαφέρουσα χρήση, την οποία δεν τη συναντήσαµε στα δίκτυα 802.3. Περιέχει δύο bits, τα οποία ονοµάζουµε Α και C αντίστοιχα. Όταν ένα πλαίσιο διέρχεται από τον κόµβο προορισµού του, τότε αυτός θέτει στο bit Α την τιµή 1. Επίσης, όταν ο κόµβος προορισµού το αντιγράψει µε επιτυχία, τότε θέτει και το bit C ίσο µε 1. Μία αντιγραφή πλαισίου µπορεί να αποτύχει είτε γιατί ο προσωρινός ενταµιευτής του παραλήπτη είναι γεµάτος, είτε για διάφορους άλλους λόγους (π.χ. αστοχία υλικού). Επειδή το πεδίο FS δεν καλύπτεται από τον κώδικα CRC, τα bits Α και C εµφανίζονται από δύο φορές, αυξάνοντας έτσι την αξιοπιστία µεταφοράς.

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

158

Το πεδίο FS χρησιµοποιείται για την επιβεβαίωση λήψης του πλαισίου. Όταν το πλαίσιο επιστρέφει στον αποστολέα, ελέγχονται οι τιµές των bits A και C. Έτσι, εάν: • Α = 0, τότε ο προορισµός δεν είναι προσπελάσιµος. • Α = 1 & C = 0, τότε ο προορισµός είναι προσπελάσιµος αλλά το πλαίσιο δεν έγινε αποδεκτό. • Α = 1 & C = 1, τότε το πλαίσιο παραδόθηκε στον προορισµό του. Η απόδοση του δακτυλίου µε κουπόνι Αν συµβολίσουµε µε PROP το χρόνο διάδοσης του σήµατος γύρω στο δακτύλιο και µε N το πλήθος των διασυνδεδεµένων κόµβων, τότε έχει αποδειχθεί ότι η απόδοση ηTR του δακτυλίου µε κουπόνι, υποθέτοντας ότι πάντα υπάρχουν πακέτα προς µετάδοση, δίδεται από την ακόλουθη προσεγγιστική σχέση hTR ª

1 PROP 1+ Nq

(5.2)

όπου θ είναι ο χρόνος κράτησης κουπονιού στο δακτύλιο. Για την απόδειξη της σχέσης (5.2), ο αναγνώστης παραπέµπεται στην Ενότητα 4.9 του βιβλίου του Walrand (1998). Το σηµαντικότερο χαρακτηριστικό του δακτυλίου µε κουπόνι είναι η ύπαρξη άνω ορίου στο χρόνο αναµονής ενός κόµβου, όταν αυτός έχει δεδοµένα προς µετάδοση. Συγκεκριµένα, είναι εύκολο να δειχθεί ότι ένας κόµβος που έχει πακέτα να µεταδώσει στο δακτύλιο δεν περιµένει περισσότερο από N – 1 χρόνους κράτησης κουπονιού, δηλαδή, όχι περισσότερο από (N – 1) ¥ θ δευτερόλεπτα. ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 5.4 Ας θεωρήσουµε ένα δακτύλιο µε κουπόνι, ο οποίος υλοποιείται µε οπτική ίνα συνολικού µήκους 3 Km. Αν στο δακτύλιο συνδέονται N = 100 κόµβοι, ο χρόνος κράτησης κουπονιού έχει οριστεί θ = 10 ms και γνωρίζοντας ότι η ταχύτητα διάδοσης του σήµατος σε µία τυπική οπτική ίνα είναι περίπου ίση µε 2 ¥ 105 Km/s, υπολογίστε την απόδοση του δακτυλίου.Ο χρόνος διάδοσης του σήµατος γύρω στο δακτύλιο ισούται µε PROP = 3 / (2 ¥ 105) = 1,5 ¥ 10 – 5 sec. Από τη σχέση (5.2) υπολογίζουµε ότι η απόδοση του δακτυλίου είναι ίση µε

5 . 3 ¢ π ∫ ∆ À∞ ¢ A ∫ ∆ À § π √ À ª ∂ ∫ √ À ¶ √ ¡ π

hTR =

159

1 ª 100% 1, 5 ¥ 10 -5 1+ 100 ¥ 10 -2

Μία απόδοση κοντά στο 100% είναι τυπική στα δίκτυα τύπου δακτυλίου µε κουπόνι. Και αυτό δεν πρέπει να αποτελεί έκπληξη, καθώς δεν υπάρχει ο ανεκµετάλλευτος χρόνος που εµφανίζεται στα δίκτυα 802.3 λόγω των συγκρούσεων ή λόγω της κατάστασης υποχώρησης, στην οποία υπεισέρχονται οι κόµβοι µετά από σύγκρουση. Επίσης, αν θεωρήσουµε ότι ο ρυθµός µετάδοσης στο δακτύλιο είναι ίσος µε 16 Mbps, τότε στο χρόνο που παρακρατά το κουπόνι, ένας κόµβος µπορεί να αποστείλει µέχρι 20.971 bytes στο δίκτυο. Από αυτά, η επιβάρυνση πλαισίωσης είναι µόλις τα 21 bytes, δηλαδή µπορεί να θεωρηθεί αµελητέα.

ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 5.5 Ας θεωρήσουµε δύο τοπικά δίκτυα: ένα τύπου Ethernet, µε ρυθµό µετάδοσης 10 Mbps και ένα τύπου δακτυλίου µε κουπόνι, µε ρυθµό µετάδοσης 4 Mbps. Στο δίκτυο Ethernet το µήκος του πλαισίου έχει οριστεί στα 600 bits. Επίσης, ο χρόνος διάδοσης του σήµατος στο δίκτυο Ethernet είναι ίσος µε 1 µsec, ενώ στο δακτύλιο είναι ίσος µε 9 µsec. (α)Στις περιπτώσεις όπου ο φόρτος του δικτύου είναι από πολύ µικρός έως µηδενικός, σε ποιο δίκτυο έχουµε το µικρότερο Μέσο Χρόνο Προσπέλασης του φυσικού µέσου από κάποιον κόµβο που έχει να µεταδώσει δεδοµένα; (β) Στις περιπτώσεις υψηλού φόρτου, σε ποιο δίκτυο εµφανίζεται ο µικρότερος Μέγιστος Χρόνος Προσπέλασης του φυσικού µέσου; (γ) Στις περιπτώσεις χαµηλού προς µηδενικού φόρτου, ποιο δίκτυο θα µεταδίδει ταχύτερα τα πλαίσια; (δ) Στις περιπτώσεις υψηλού φόρτου, ποιο δίκτυο θα µεταδίδει τη µεγαλύτερη ποσότητα δεδοµένων στη µονάδα του χρόνου;

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

160

5.4 ¢›ÎÙ˘· FDDI

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτήν την ενότητα θα µπορείτε να: • ορίσετε τα δίκτυα FDDI, • περιγράψετε τον τρόπο λειτουργίας ενός δικτύου FDDI, • εξηγήσετε τον τρόπο διαχείρισης βλαβών στο FDDI, • περιγράψετε το πρωτόκολλο MAC στο FDDI και να αναφέρετε ένα σηµαντικό λειτουργικό χαρακτηριστικό του, • προσδιορίσετε τη µορφή του πλαισίου στα δίκτυα FDDI, • ορίσετε την απόδοση ενός δικτύου FDDI και το µέγιστο χρόνο προσπέλασης στο φυσικό µέσο και να αναφέρετε τις παραµέτρους που τα επηρεάζουν. Τα δίκτυα τύπου FDDI (Fiber Distributed Data Interface) αναπτύχθηκαν από την επιτροπή X3T9.5 του Αµερικανικού Ινστιτούτου Τυποποιήσεων (American National Standards Institute – ANSI) στα µέσα της δεκαετίας του 1980. Σκοπός τους ήταν η ανάπτυξη τοπικών δικτύων µε ταχύτητες µετάδοσης σηµαντικά υψηλότερες από αυτές των τότε επικρατούντων τοπικών δικτύων τύπου Ethernet και ∆ακτυλίου µε Κουπόνι. Επιπλέον, η τεχνολογία FDDI αναπτύχθηκε για να υποστηρίξει και την ενοποίηση επιµέρους τοπικών δικτύων σ’ ένα µεγαλύτερο µητροπολιτικό δίκτυο. Το 1989, ο ∆ιεθνής Οργανισµός Τυποποίησης (International Organization for Standardization – ISO) συνέταξε τη διεθνή έκδοση του FDDI, η οποία είναι πλήρως συµβατή µε την έκδοση του ANSI. Το FDDI είναι ένας διπλός δακτύλιος (βλέπε σχήµα 5.1.γ) µε ρυθµό µετάδοσης 100 Mbps, ο οποίος υλοποιείται µε οπτικές ίνες. Μπορεί να διασυνδέσει έως 500 κόµβους, µε µέγιστο επιτρεπτό συνολικό µήκος ινών τα 200 Km (δηλαδή, το µήκος ενός δακτυλίου δεν πρέπει να υπερβαίνει τα 100 Km). Η απόσταση µεταξύ διαδοχικών κόµβων δεν µπορεί να ξεπεράσει τα 2 Km, όταν χρησιµοποιείται πολυτροπική ίνα, ή τα 10 Km για µονοτροπική ίνα. Για οικονοµικότερη υλοποίηση, αναπτύχθηκε µεταγενέστερα και η τεχνολογία CDDI (Copper Distributed Data Interface), η οποία υλοποιεί τα πρωτόκολλα FDDI πάνω από καλώδια χαλκού συνεστραµµένων ζευγών. Στα δίκτυα CDDI, η απόσταση µεταξύ διαδοχικών κόµβων δεν πρέπει να ξεπεράσει τα 100 m. Η εµφάνιση του FDDI συνέπεσε χρονικά µε την εµφάνιση της τεχνολογίας 100Base – TX, η οποία και επικράτησε καθολικά στην ανάπτυξη τοπικών δικτύων λόγω του

5 . 4 ¢ π ∫ ∆ À∞ F D D I

αισθητά µειωµένου κόστους υλοποίησης σε σχέση µε το FDDI. Στη δεκαετία του 1990, το FDDI αποτέλεσε την κύρια τεχνολογία υλοποίησης δικτύων κορµού σε µητροπολιτικά δίκτυα, ενώ στις µέρες µας τα µητροπολιτικά δίκτυα υλοποιούνται συνήθως µε άλλες προηγµένες τεχνολογίες όπως π.χ. ο Ασύγχρονος Τρόπος Μετάδοσης (Asynchronous Transfer Mode – ATM). 5.4.1 √ ÙÚfiÔ˜ ÏÂÈÙÔ˘ÚÁ›·˜ ÙÔ˘ FDDI

Όπως στα δίκτυα 802.5, έτσι και στα δίκτυα FDDI ο έλεγχος προσπέλασης του φυσικού µέσου διενεργείται µε το πέρασµα κουπονιού. Για να µπορέσει να µεταδώσει δεδοµένα στο δίκτυο, ένας κόµβος θα πρέπει πρώτα να δεσµεύσει ένα κουπόνι. Ένα πλαίσιο δεδοµένων διασχίζει όλο το δακτύλιο και τελικά απορροφάται από τον ίδιο τον αποστολέα του (υπενθυµίζουµε ότι ο παραλήπτης απλώς το αντιγράφει). Σ’ αυτό που διαφέρει το FDDI από το δακτύλιο µε κουπόνι είναι ο χρόνος στον οποίο αποδεσµεύεται το κουπόνι. Επειδή το µήκος των δικτύων FDDI είναι µεγάλο και οι διασυνδεδεµένοι κόµβοι συνήθως πολλοί, ο χρόνος που απαιτείται για να κάνει ένα πλαίσιο το γύρο του δακτυλίου είναι συνήθως µεγάλος, συγκρινόµενος µε το χρόνο µετάδοσής του. Εάν ο κόµβος περίµενε να λάβει πίσω το πλαίσιο που απέστειλε για να απελευθερώσει το κουπόνι, τότε θα υπήρχε ένα σηµαντικό ποσοστό ανεκµετάλλευτου χρόνου µετάδοσης στο δίκτυο. Γι΄ αυτό το λόγο, αποφασίστηκε να επιτρέπεται σ’ ένα κόµβο να αποδεσµεύει το κουπόνι µόλις τελειώσει τη µετάδοση των πλαισίων του, χωρίς να χρειάζεται να περιµένει για να τα απορροφήσει. Έτσι, σ’ ένα µεγάλο δακτύλιο µπορεί να υπάρχουν πολλά διαφορετικά πλαίσια ταυτόχρονα, τα οποία απορροφούνται από τους αποστολείς τους αντίστοιχα. ∆ιαχείριση βλαβών στο FDDI Το FDDI αποτελείται από δύο δακτυλίους, όπου ο ένας µεταφέρει το σήµα κατά τη φορά των δεικτών του ρολογιού και ο άλλος κατά την αντίθετη φορά. Κάθε κόµβος µπορεί να είναι συνδεδεµένος και στους δύο δακτυλίους και, όταν έχει δεδοµένα προς µετάδοση, µπορεί να επιλέξει για τη µετάδοση οποιονδήποτε από τους δύο δακτυλίους. Οι δύο δακτύλιοι είναι ανεξάρτητοι µεταξύ τους. Αν κάποιος από τους δύο χαλάσει, τότε το δίκτυο παραµένει λειτουργικό µε τον άλλο δακτύλιο. Στην περίπτωση που και οι δύο δακτύλιοι χαλάσουν στο ίδιο σηµείο, το FDDI διαθέτει ένα εσωτερικό µηχανισµό αντιµετώπισης αυτής της βλάβης. Έστω για παράδειγµα το δίκτυο FDDI του σχήµατος 5.12.α. Εάν στον κόµβο Β συµβεί ένα ατύχη-

161

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

162

µα και κοπούν και οι δύο ίνες, τότε αυτόµατα το δίκτυο εκτελεί την απαραίτητη διαδικασία για την ένωση των δύο δακτυλίων στους κόµβους Α και Γ, ενεργοποιώντας τους σχετικούς διακόπτες µε τους οποίους είναι εξοπλισµένος κάθε κόµβος FDDI. Τελικά, το δίκτυο θα επανέλθει, λειτουργώντας µε µονό δακτύλιο (σχήµα 5.12.β). Αυτή η λειτουργία αποκατάστασης βλάβης είναι πολύ σηµαντική, όταν από το δίκτυο διατίθενται υπηρεσίες που απαιτούν µικρό χρόνο παραµονής του δικτύου εκτός λειτουργίας και γενικότερα υψηλή αξιοπιστία. Z

™¯‹Ì· 5.12

Αντιµετώπιση βλαβών στα δίκτυα FDDI. Σε περίπτωση βλάβης και των δύο δακτυλίων στο ίδιο σηµείο (π.χ. στο κόµβο Β), οι δύο δακτύλιοι µπορούν να ενωθούν µαζί (π.χ. στους κόµβους Α και Γ) για τη δηµιουργία ενός µεγαλύτερου δακτυλίου.

A

E

A

B

Γ

∆ (α)

Γ (β)

5.4.2 ∆Ô ˘ÔÂ›Â‰Ô MAC

Ένα σηµαντικό λειτουργικό χαρακτηριστικό του FDDI είναι η εγγενής υποστήριξη δύο διαφορετικών κατηγοριών κυκλοφορίας: της σύγχρονης (synchronous) κυκλοφορίας και της ασύγχρονης (asynchronous). Η σύγχρονη µορφή κυκλοφορίας δηµιουργείται από υπηρεσίες που δεν επιδέχονται καθυστέρηση µεταφοράς µεγαλύτερη από ένα άνω επιτρεπτό όριο, όπως π.χ. η µεταφορά φωνής, η εικονοδιάσκεψη και η µεταφορά σηµάτων συναγερµού. Αντίθετα, στην ασύγχρονη µορφή κυκλοφορίας, όπως π.χ. σ’ αυτήν που δηµιουργείται κατά τη µεταφορά αρχείων µεταξύ υπολογιστών, η µεγάλη διακύµανση στην καθυστέρηση µεταφοράς είναι συνήθως ανεκτή. Όπως θα δούµε στην επόµενη παράγραφο, στα δίκτυα FDDI, τα πακέτα της σύγχρονης κυκλοφορίας διαχωρίζονται από τα πακέτα της ασύγχρονης κυκλοφορίας και εξυπηρετούνται µε διαφορετικό τρόπο. Το πέρασµα κουπονιού στο FDDI Κάθε κόµβος σ’ ένα δίκτυο FDDI χρησιµοποιεί τους εξής δύο χρονοµετρητές για να υλοποιήσει το πρωτόκολλο MAC:

5 . 4 ¢ π ∫ ∆ À∞ F D D I

163

• το µετρητή χρόνου περιστροφής κουπονιού (token rotation timer – TRT), και • το µετρητή χρόνου κράτησης κουπονιού (token holding timer – THT). Επίσης, στο δίκτυο FDDI έχει οριστεί και ένας στοχευόµενος χρόνος περιστροφής του κουπονιού (target token rotation time – TTRT). Ας συµβολίσουµε µε N το πλήθος των διασυνδεδεµένων κόµβων στο δίκτυο FDDI. Κάθε κόµβος i, i = 1, 2, …, N, θεωρούµε ότι έχει δεσµεύσει κάποιο χρόνο S(i) ≥ 0 για τη µετάδοση της σύγχρονης κυκλοφορίας του. Το δίκτυο FDDI θα είναι ικανό να εξυπηρετήσει τη σύγχρονη κυκλοφορία εάν S(1) + S(2) + … + S(N) ≤ TTRT Έστω ένας κόµβος i του δικτύου, i Œ {1, 2, …, N}. Ο κόµβος αυτός διατηρεί τους χρονοµετρητές TRT και THT και, όταν λαµβάνει το κουπόνι, εκτελεί τα ακόλουθα βήµατα: 1. Θέτει THT = TTRT – TRT και αρχίζει να µειώνει το µετρητή THT. 2. Θέτει TRT = 0 και αρχίζει να αυξάνει το µετρητή TRT. 3. Μεταδίδει τη σύγχρονη κυκλοφορία, τουλάχιστον για χρόνο ίσο µε S(i). 4. Μεταδίδει την ασύγχρονη κυκλοφορία µέχρις ότου µηδενιστεί ο µετρητής THT. 5. Αποδεσµεύει το κουπόνι. Ο κόµβος συνεχίζει να αυξάνει το µετρητή TRT και µετά την αποδέσµευση του κουπονιού. Παρατηρήστε ότι, εάν ο κόµβος µετέδωσε κυκλοφορία για µεγάλο χρονικό διάστηµα πριν την αποδέσµευση κουπονιού, τότε η τιµή του µετρητή TRT θα είναι µεγάλη την επόµενη φορά που ο κόµβος θα λάβει το κουπόνι. Κατά συνέπεια, η τιµή THT = TTRT – TRT που θα υπολογίσει ο κόµβος την επόµενη φορά θα είναι µικρή, δηλαδή θα µεταδώσει κυκλοφορία για µικρό χρονικό διάστηµα. Μ’ αυτό το απλό τέχνασµα το FDDI προστατεύεται από κόµβους που θέλουν να µονοπωλήσουν τη χρήση του δικτύου. Αν όλοι οι κόµβοι στο δίκτυο FDDI ακολουθούν το παραπάνω πρωτόκολλο, τότε µπορεί να δειχθεί ότι TRT ≤ 2 ¥ TTRT, δηλαδή ο χρόνος που µεσολαβεί µεταξύ δύο διαδοχικών µεταδόσεων σε κάθε κόµβο δεν υπερβαίνει τα 2 ¥ TTRT. Για την απόδειξη της ανισότητας, ο αναγνώστης παραπέµπεται στην Ενότητα 4.10 του βιβλίου του Walrand (1998). Έστω, για παράδειγµα, ένα δίκτυο 30 κόµβων, το οποίο αναπτύχθηκε έτσι ώστε να µπορεί να διακινήσει κινούµενη εικόνα (video) µεταξύ δύο οποιωνδήποτε κόµβων

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

164

του. Η κυκλοφορία του video δηµιουργείται µε ρυθµό 1,5 Mbps και για να επιτύχουµε ποιοτική απόδοσή του, ο παραλήπτης κόµβος πρέπει να δέχεται και να απεικονίζει µία νέα εικόνα το αργότερο κάθε 33,3 msec. Εάν οι κόµβοι είναι εξοπλισµένοι µε ενταµιευτές µεγέθους 150 Kbits, τότε µπορούν να αποθηκεύσουν προσωρινά την κυκλοφορία που δηµιουργεί µία πηγή video σε 100 msec. Σ’ ένα δίκτυο των 100 Mbps, ο προσωρινός ενταµιευτής, όταν καλείται να µεταδώσει τα περιεχόµενά του, αδειάζει σε 1,5 msec. Το παραπάνω σενάριο θα µπορούσε να υλοποιηθεί σε δίκτυο FDDI µε TTRT = 50 msec και S(i) = 1,5 msec, i = 1, 2, …, 30. Η ποιότητα απόδοσης του video θα ήταν αποδεκτή και η καθυστέρηση απεικόνισης της κάθε εικόνας θα ήταν ίση µε 100 msec. Η µορφή πλαισίων στο FDDI Τα πλαίσια κουπονιού και δεδοµένων στα δίκτυα FDDI είναι παρόµοια µε αυτά των δικτύων 802.5 (βλέπε σχήµα 5.13). Η σηµαντική διαφορά τους είναι στη µονάδα µέτρησης του εύρους των πλαισίων, η οποία πηγάζει από το διαφορετικό σχήµα κωδικοποίησης στο φυσικό επίπεδο που επέλεξαν οι δύο τεχνολογίες. Στα δίκτυα τύπου δακτυλίου µε κουπόνι επιλέχθηκε η κωδικοποίηση Manchester για τη µετάδοση των δεδοµένων και έτσι στα πλαίσια 802.5 µπορούσαµε να οριοθετήσουµε τα πεδία τους ανά byte. Στο FDDI επιλέχθηκε ένα σχήµα γνωστό ως 4Β/5Β + NRZI. Σ’ αυτό το σχήµα, η πληροφορία οµαδοποιείται σε σύµβολα των 4 bits. Κάθε σύµβολο κωδικοποιείται από 5 bits, σύµφωνα µε την αντιστοιχία του πίνακα 5.2, τα οποία στη συνέχεια µεταδίδονται στο φυσικό µέσο µε την κωδικοποίηση NRZI. Από τους εναποµείναντες 25 – 24 = 16 συνδυασµούς, οι 8 χρησιµοποιούνται για να ορίσουν κάποια ειδικά σύµβολα ελέγχου. Μ’ αυτήν την κωδικοποίηση δε θα εµφανιστούν ποτέ 4 συνεχόµενα ψηφία 0 κατά τη µετάδοση δεδοµένων, γεγονός που είναι απαραίτητο για το συγχρονισµό των κόµβων στο FDDI.

5 . 4 ¢ π ∫ ∆ À∞ F D D I

165

¶›Ó·Î·˜ 5.2

Η αντιστοίχηση συµβόλων δεδοµένων και ελέγχου του FDDI σε ακολουθίες από bits κατά την µετάδοση. Σύµβολο δεδοµένων

Μεταδιδόµενη ακολουθία bits

0 (δυαδικό 0000)

11110

1 (δυαδικό 0001)

01001

2 (δυαδικό 0011)

10100

3 (δυαδικό 0101)

10101

4 (δυαδικό 0100)

01010

5 (δυαδικό 0101)

01011

6 (δυαδικό 0110)

01110

7 (δυαδικό 0111)

01111

8 (δυαδικό 1000)

10010

9 (δυαδικό 1001)

10011

A (δυαδικό 1010)

10110

B (δυαδικό 1011)

10111

C (δυαδικό 1100)

11010

D (δυαδικό 1101)

11011

E (δυαδικό 1110)

11100

F (δυαδικό 1111)

11101

Σύµβολο ελέγχου

Μεταδιδόµενη ακολουθία bits

Q

00000

H

00100

I

11111

J

11000

K

10001

T

01101

R

00111

S

11001

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

166

Στο σχήµα 5.13 απεικονίζονται το κουπόνι και το πλαίσιο δεδοµένων στο FDDI. Το πρόθεµα (Preamble, PRE) αποτελείται από 16 σύµβολα I και είναι απαραίτητο για το συγχρονισµό των κόµβων. Η αρχή του πλαισίου (Start Delimiter, SD) δηλώνεται µε τα σύµβολα J και K και το τέλος του (End Delimiter, ED) µε ένα ή δύο σύµβολα T, ανάλογα µε το αν το πλαίσιο είναι πλαίσιο δεδοµένων ή κουπόνι αντίστοιχα. Τα πεδία DA και SA περιέχουν τις διευθύνσεις προορισµού (Destination Address) και πηγής (Source Address) του πλαισίου αντίστοιχα, οι οποίες έχουν την ίδια µορφή µε τις διευθύνσεις ΙΕΕΕ 802.3 και 802.5. Το πεδίο FC (Frame Control) διευκρινίζει εάν το πλαίσιο περιέχει δεδοµένα του χρήστη (πλαίσιο LLC) ή πληροφορίες ελέγχου. Στην πρώτη περίπτωση, διευκρινίζει επίσης τη µορφή της κυκλοφορίας: σύγχρονη ή ασύγχρονη. Τα δεδοµένα δεν επιτρέπεται να έχουν µέγεθος µεγαλύτερο από 8956 σύµβολα. Ο κώδικας κυκλικού πλεονασµού (CRC) καλύπτει τα πεδία FC, DA, SA και τα µεταφερόµενα δεδοµένα. Τέλος, το πεδίο κατάστασης πλαισίου (Frame Status, FS) περιέχει τους τρεις δείκτες A, C και E. Οι δείκτες A και C έχουν την ίδια ακριβώς χρήση µε τα bits ελέγχου A και C του πεδίου FS στο πλαίσιο 802.5. Ο δείκτης E ενεργοποιείται στις καταστάσεις όπου το πλαίσιο συναντά δυσλειτουργίες του δικτύου κατά τη µεταφορά του. Κάθε δείκτης αναπαρίσταται ως ένα σύµβολο, το οποίο λαµβάνει την τιµή R, όταν ο δείκτης είναι απενεργοποιηµένος («off») και την τιµή S, όταν είναι ενεργοποιηµένος («on»).

σύµβολα

™¯‹Ì· 5.13

2

2

2

PRE

SD

FC

ED

16

2

2

12

12

0 – 8956

8

PRE

SD

FC

Η µορφή (α) του κουπονιού και (β) του πλαισίου δεδοµένων στο FDDI.

16

DA

SA

∆εδοµένα

CRC

(α) κουπόνι

(β) πλαίσιο δεδοµένων

1

3

ED

FS

σύµβολα

5 . 4 ¢ π ∫ ∆ À∞ F D D I

167

H απόδοση του FDDI Έστω N το πλήθος των κόµβων σ’ ένα δίκτυο FDDI. Εκ κατασκευής, ο κάθε κόµβος καθυστερεί τη διέλευση ενός διερχόµενου πλαισίου κατά χρόνο D. Αν συµβολίσουµε µε PROP το χρόνο διάδοσης του σήµατος γύρω στο δακτύλιο FDDI και µε TRANST το χρόνο µετάδοσης του κουπονιού, τότε µπορεί να αποδειχθεί (βλέπε Ενότητα 4.10, Walrand (1998)) ότι η απόδοση ηFDDI του FDDI, υποθέτοντας ότι πάντα υπάρχουν πακέτα προς µετάδοση, προσεγγίζεται από την ακόλουθη σχέση hFDDI ª

TTRT - N ¥ ( D + TRANST ) - PROP TTRT

(5.3)

όπου TTRT είναι ο στοχευόµενος χρόνος περιστροφής του κουπονιού. Στα δίκτυα FDDI, λόγω της χρήσης του µηχανισµού περάσµατος κουπονιού στον έλεγχο προσπέλασης του δακτυλίου, ο Μέγιστος Χρόνος Προσπέλασης του φυσικού µέσου δεν υπερβαίνει ποτέ την τιµή 2 ¥ TTRT. ¶·Ú¿‰ÂÈÁÌ· 5.5 Σαν αριθµητικό παράδειγµα, ας θεωρήσουµε ένα δακτύλιο FDDI µήκους 80 Km, στον οποίο συνδέονται N = 300 κόµβοι. Κάθε κόµβος εισάγει µία καθυστέρηση ίση µε 16 bits κατά τη διέλευση ενός πλαισίου από αυτόν. Εάν ο στοχευόµενος χρόνος περιστροφής του κουπονιού έχει οριστεί TTRT = 10 ms και γνωρίζοντας ότι η ταχύτητα διάδοσης του σήµατος σε µία τυπική οπτική ίνα είναι περίπου ίση µε 2 ¥ 105 Km/s, τότε µπορούµε να υπολογίσουµε την απόδοση ηFDDI του δικτύου µε απευθείας χρήση της σχέσης (5.3). Έτσι,

hFDDI =

10 ¥ 10 -3 - 300 ¥

16 + 110 80 100 ¥ 1024 ¥ 1024 2 ¥ 10 -5 ª 92, 4% 10 ¥ 10 -3

Μία τιµή TTRT κοντά στα 10 ms είναι ικανή για να υποστηρίξει τη µετάδοση φωνής και κινούµενης εικόνας πάνω από δίκτυα FDDI. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 5.6 Επιλέξτε τη σωστή απάντηση σε κάθε µία από τις ακόλουθες ερωτήσεις πολλαπλών επιλογών. 1. Ένα δίκτυο FDDI µπορεί να υλοποιηθεί µόνο µε: (α)πολυτροπικές οπτικές ίνες.

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

168

(β) καλώδια συνεστραµµένων ζευγών. (γ) οπτικές ίνες και οµοαξονικά καλώδια. (δ) οπτικές ίνες και καλώδια συνεστραµµένων ζευγών. 2. Ένα δίκτυο FDDI δεν µπορεί να υλοποιηθεί µε τη φυσική τοπολογία: (α)αστέρα. (β) αρτηρίας. (γ) δακτυλίου. 3. Εάν στο δίκτυο FDDI του σχήµατος 5.12.β έχουµε και δεύτερη βλάβη, η οποία αποκόπτει και τις δύο ίνες στον κόµβο Ε του δακτυλίου, τότε το δίκτυο (α)δεν µπορεί να συνεχίσει τη λειτουργία του. (β) συνεχίζει κανονικά τη λειτουργία του. (γ) επαναφέρεται σε µερική λειτουργία µετά από ένα µικρό χρονικό διάστηµα. 4. Το πρωτόκολλο MAC του FDDI (α)προστατεύει το δίκτυο από κόµβους οι οποίοι θέλουν να µονοπωλήσουν τη µετάδοση δεδοµένων. (β) δεν κάνει διάκριση µεταξύ της σύγχρονης και ασύγχρονης κυκλοφορίας στο δίκτυο. (γ) παρακρατεί σ’ έναν κόµβο το κουπόνι του δακτυλίου για χρόνο ίσο µε 2 ¥ TTRT, όπου TTRT είναι ο στοχευόµενος χρόνος περιστροφής του κουπονιού. (δ) αποδεσµεύει από έναν κόµβο το κουπόνι του δακτυλίου, αµέσως µετά την επιστροφή σ’ αυτόν τον κόµβο όλων των πλαισίων που µετέδωσε από τη δέσµευση του κουπονιού και µετά.

5.5 ∞Û‡ÚÌ·Ù· ÙÔÈο ‰›ÎÙ˘· 802.11

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτήν την ενότητα θα µπορείτε να : • ορίσετε τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα ΙΕΕΕ 802.11, • αναφέρετε σε ποιες περιοχές συχνοτήτων λειτουργούν τα δίκτυα 802.11,

5 . 5 ∞ ™ À ƒ ª ∞ ∆ ∞ ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ 8 0 2 . 1 1

• περιγράψετε τους δύο τρόπους διασύνδεσης και λειτουργίας κόµβων σ’ ένα δίκτυο 802.11, • εξηγήσετε τη διαδικασία προσχώρησης ενός σταθµού εργασίας σ’ ένα ασύρµατο τοπικό δίκτυο 802.11, • περιγράψετε πώς γίνεται ο έλεγχος προσπέλασης στο φυσικό µέσο, • προσδιορίσετε τη µορφή του πλαισίου στα δίκτυα 802.11. Το ασύρµατο τοπικό δίκτυο (wireless LAN – WLAN) αποτελείται από µία συλλογή υπολογιστών που εκτείνονται σε µία µικρή σχετικά περιοχή και επικοινωνούν µεταξύ τους χρησιµοποιώντας ραδιοκύµατα αντί για καλωδιακή υποδοµή. Τα WLANs αναπτύσσονται σε χώρους όπου η εγκατάσταση καλωδιακής υποδοµής είναι αδύνατη ή οικονοµικά ασύµφορη, όπως π.χ. σε παλιά ή διατηρητέα κτίρια. Αναπτύσσονται επίσης συχνά σε προσωρινές εγκαταστάσεις όπως π.χ,, σε συνέδρια ή άλλες εκδηλώσεις. Αλλά το µεγάλο τους πεδίο εφαρµογής πιστεύουµε ότι είναι η υποστήριξη µετακινούµενων χρηστών. Για παράδειγµα, σε µία µεγάλη αποθήκη, όπου ο διαχειριστής της πρέπει να ενηµερώνει την κεντρική βάση µε τα διαθέσιµα αποθέµατα εµπορευµάτων σε πραγµατικό χρόνο, αντί να τα καταγράφει προσωρινά σε χαρτί και να τα εισάγει αργότερα στη βάση από τον υπολογιστή του γραφείου του. Ή κατά την επίσκεψη ιατρών σε µία κλινική, όταν απαιτείται πρόσβαση στον ηλεκτρονικό φάκελο ενός ασθενούς τη στιγµή που αυτός εξετάζεται στο κρεβάτι του. Η ευρεία αποδοχή των WLANs οδήγησε την IEEE στην επικύρωση του 802.11, του πρώτου προτύπου για ασύρµατα τοπικά δίκτυα υπολογιστών. Το 802.11 εκδόθηκε τον Ιούνιο 1997 και περιελάµβανε ταχύτητες µετάδοσης δεδοµένων στα 1 Mbps και 2 Mbps. Στη µεταγενέστερη έκδοση του προτύπου 802.11b (Σεπτέµβριος 1999), οι ρυθµοί µετάδοσης δεδοµένων αυξήθηκαν ως τα 11 Mbps. Αυτή τη στιγµή είναι υπό συζήτηση ένα πρότυπο για την τρίτη γενεά ασύρµατων τοπικών δικτύων, η οποία υπόσχεται σηµαντική αναβάθµιση στους ρυθµούς µετάδοσης (54 Mbps και περισσότερο). Το πρότυπο αυτό, κατά παράδοξο τρόπο, πήρε την ονοµασία 802.11a. Σηµαντικό ρόλο στην πολύ µεγάλη εξάπλωση που εµφανίζουν σήµερα τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα έπαιξε η πιστοποίηση Wi – Fi (wireless fidelity), που εισήγαγε µία οµάδα από τους µεγαλύτερους κατασκευαστές προϊόντων 802.11, γνωστή ως WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance). Εάν µία συσκευή έχει την πιστοποίηση Wi – Fi, τότε αυτό σηµαίνει ότι έχει ελεγχθεί και µπορεί εγγυηµένα να λειτουργήσει µε άλλες συσκευές που φέρουν την ίδια πιστοποίηση.

169

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

170

5.5.1 √ ÙÚfiÔ˜ ÏÂÈÙÔ˘ÚÁ›·˜ ÙÔ˘ 802.11

Το καλώδιο που χρησιµοποιείται για την ανάπτυξη ενός τοπικού δικτύου σε µία εγκατάσταση είναι ιδιόκτητο. Αυτό όµως δε συµβαίνει και µε τον αέρα στις ασύρµατες επικοινωνίες, οπότε αυτοµάτως τίθενται θέµατα όπως π.χ. ποια συχνότητα να χρησιµοποιήσω για να αναπτύξω ένα WLAN. Σ’ αυτήν την υποενότητα ασχολούµαστε µε την περιοχή συχνοτήτων λειτουργίας ενός ασύρµατου δικτύου 802.11. Επίσης, παρουσιάζουµε τους τρόπους διασύνδεσης κόµβων σ’ ένα δίκτυο 802.11 και περιγράφουµε τη διαδικασία προσχώρησης ενός σταθµού εργασίας σ’ ένα ασύρµατο LAN. Περιοχή συχνοτήτων λειτουργίας Οι συχνότητες εκποµπής ραδιοκυµάτων είναι περιορισµένες και γι’ αυτό το λόγο η παραχώρησή τους για χρήση σε µία περιοχή γίνεται ελεγχόµενα από την Εθνική Επιτροπή Τηλεπικοινωνιών. Υπάρχουν όµως κάποιες περιοχές συχνοτήτων οι οποίες είναι ελεύθερα διαθέσιµες για κοινή χρήση σ’ όλον τον πλανήτη, χωρίς δηλαδή να προαπαιτείται η λήψη σχετικής άδειας. Οι περιοχές αυτές είναι γνωστές ως συχνότητες ISM (Industrial, Scientific and Medical frequencies).

™¯‹Ì· 5.14

Τα 11 διαφορετικά DSSS κανάλια στα οποία µοιράζεται η περιοχή συχνοτήτων ISM των 2,4 GHz. Παρατηρούµε ότι, µόνο εάν επιλέξουµε το συνδυασµό των καναλιών 1, 6 και 11, µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε µέχρι 3 κανάλια ταυτόχρονα, χωρίς παρεµβολές. Στους υπόλοιπους συνδυασµούς επιτρέπεται η ταυτόχρονη χρήση µέχρι 2 καναλιών.

Οι συσκευές 802.11b κατασκευάζονται για να εκπέµπουν στην περιοχή 2,4 – 2,4835 GHz, που διαθέτει εύρος 83,5 MHz. Αντίθετα, για το πρότυπο 802.11a συζητείται η περιοχή 5,725 – 5,875 GHz, µε εύρος 150 MHz. Το πρότυπο 802.11 ορίζει τη χρήση των τεχνολογιών ∆ιευρυµένου Φάσµατος (Spread Spectrum – SS) για την εκποµπή σήµατος και συγκεκριµένα των τεχνικών DSSS (Direct Sequence SS) και FHSS (Frequency Hoping SS). Οι DSSS και FHSS είναι δύο τελείως διαφορετικοί µηχανισµοί σηµατοδοσίας και δεν υπάρχει διαλειτουργικότητα µεταξύ τους. Επειδή η FHSS περιορίζει το ρυθµό µετάδοσης σε τιµές µικρότερες από τα 2 Mbps, στα δίκτυα τύπου 802.11b χρησιµοποιείται αποκλειστικά η τεχνική DSSS.

1

2

3

4

Kανάλι DSSS 5 6 7

8

9

5 9

3

8

2

2400

11

10

4

1

10

7 6 2441‚ ‚ (MHz) Συχνότητα

11 2500

5 . 5 ∞ ™ À ƒ ª ∞ ∆ ∞ ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ 8 0 2 . 1 1

171

Στην τεχνική DSSS, η περιοχή συχνοτήτων ISM των 2,4 GHz µοιράζεται σε 11 διαφορετικά κανάλια, εύρους 22 MHz το καθένα (βλέπε σχήµα 5.14). Από αυτά, µόνο τα κανάλια 1, 6 και 11 απέχουν αρκετά µεταξύ τους, έτσι ώστε κατά την ταυτόχρονη χρήση τους να µην υπάρχουν παρεµβολές. Οποιοσδήποτε άλλος συνδυασµός µας οδηγεί σε ταυτόχρονη χρήση δύο µόνο καναλιών. Τρόποι διασύνδεσης κόµβων Στα δίκτυα 802.11 υπάρχουν δύο είδη εξοπλισµού: ο σταθµός εργασίας, που συνήθως είναι ένας προσωπικός υπολογιστής εξοπλισµένος µε µία κάρτα διεπαφής για ασύρµατο δίκτυο, και το σηµείο πρόσβασης (access point – AP), που λειτουργεί ως η συσκευή γεφύρωσης του ασύρµατου τοπικού δικτύου µε το τοπικό δίκτυο που έχει αναπτυχθεί πάνω από µία υπάρχουσα καλωδιακή υποδοµή (βλέπε σχήµα 5.15.α). ™¯‹Ì· 5.15

Kαλωδιακό δίκτυο διανοµής

Οι δύο τρόποι διασύνδεσης και λειτουργίας των κόµβων σ’ ένα ασύρµατο τοπικό δίκτυο.

Σηµείο πρόσβασης Σηµείο πρόσβασης

BSS BSS IBSS ESS (α) ∆ιασύνδεση υποδοµής

(β) Έκτακτη ή τυχαία‚ διασύνδεση

Επίσης, στο πρότυπο 802.11 έχουν οριστεί δύο τρόποι διασύνδεσης και λειτουργίας των κόµβων σ’ ένα WLAN, οι οποίοι απεικονίζονται στο σχήµα 5.15. Στη διασύνδεση υποδοµής (infrastructure mode), υπάρχει ένα τουλάχιστον σηµείο πρόσβασης, το οποίο είναι συνδεδεµένο στην υπάρχουσα καλωδιακή υποδοµή και ένα πλήθος από ασύρµατους σταθµούς εργασίας, οι οποίοι ρυθµίζονται να επικοινωνούν µόνο µε το σηµείο πρόσβασης. Αυτή η διάρθρωση ονοµάζεται Συγκρότηµα Βασικής Υπηρεσίας (Basic Service Set – BSS). Το Συγκρότηµα Εκτεταµένης Υπηρεσίας (Extended Service Set – ESS) είναι ένα σύνολο από δύο ή περισσότερα BSS ενοποιηµένα σ’

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

172

ένα εκτεταµένο τοπικό δίκτυο. Φυσικά, για την αποφυγή παρεµβολών, τα γειτονικά συγκροτήµατα πρέπει να εκπέµπουν δεδοµένα σε µη επικαλυπτόµενα κανάλια DSSS. Αξίζει να παρατηρήσουµε ότι υπάρχει µία συγκεκριµένη περιοχή γύρω από κάθε σηµείο πρόσβασης, εντός της οποίας πρέπει να βρίσκονται οι σταθµοί εργασίας για να εξυπηρετηθούν απ’ αυτό. Η ακτίνα αυτής της ενεργής περιοχής εξαρτάται από πλήθος παραγόντων, όπως π.χ. από το αν το δίκτυο αναπτύσσεται σε εξωτερικό ή εσωτερικό χώρο, απ’ το είδος και το µέγεθος της κεραίας που χρησιµοποιείται, απ’ την ποιότητα της συγκεκριµένης κατασκευής, κ.ά. Για ένα δίκτυο των 11 Mbps, χωρίς εξωτερική κεραία, µπορούµε να αναφέρουµε ως ενδεικτική τιµή της µέγιστης απόστασης ενός σταθµού εργασίας από το σηµείο πρόσβασης τα 150 m σε εξωτερικό χώρο ή τα 30 m σε εσωτερικό χώρο. Αυτά τα όρια αυξάνονται, αν µειωθεί ο ρυθµός µετάδοσης στα 5,5 Mbps ή αν χρησιµοποιηθεί εξωτερική κεραία µεγαλύτερης ισχύος εκποµπής. Ο δεύτερος τρόπος διασύνδεσης κόµβων σ’ ένα ασύρµατο δίκτυο 802.11 δεν απαιτεί την παρουσία σηµείου πρόσβασης, ούτε κατά συνέπεια την ενοποίηση µε κάποιο υπάρχον καλωδιωµένο τοπικό δίκτυο. Στην έκτακτη ή τυχαία διασύνδεση (ad hoc mode) οι σταθµοί εργασίας επικοινωνούν απευθείας µεταξύ τους και χρησιµοποιείται ευρέως σε προσωρινές, αυθόρµητες ή µη προσχεδιασµένες εγκαταστάσεις. Σ’ αυτήν την περίπτωση αναφέρουµε ότι οι κόµβοι συνθέτουν ένα ανεξάρτητο συγκρότηµα (Independent BSS – IBSS). ∆ιαδικασία προσχώρησης σταθµού εργασίας σε ένα BSS Στο σχήµα 5.16 απεικονίζονται τα βήµατα που εκτελούνται στα δίκτυα 802.11 για να προσχωρήσει ένας σταθµός εργασίας σ’ ένα Συγκρότηµα Βασικής Υπηρεσίας. Συνοπτικά λοιπόν αυτά τα βήµατα είναι: 1. Όταν ο σταθµός τεθεί σε λειτουργία, εκπέµπει ένα ειδικό πλαίσιο ελέγχου σε όλα τα κανάλια DSSS, ζητώντας να µάθει τα σηµεία πρόσβασης µε τα οποία έχει επαφή. 2. Κάθε σηµείο πρόσβασης που ακούει τον σταθµό εργασίας, απαντάει στο αίτηµά του ενηµερώνοντάς τον ταυτόχρονα για το φόρτο του BSS που εξυπηρετεί και για άλλες λεπτοµέρειες. 3. Ο σταθµός εργασίας, βασιζόµενος στην ποιότητα του λαµβανοµένου σήµατος και στα τρέχοντα χαρακτηριστικά του κάθε υποψηφίου BSS, επιλέγει το κατάλληλο σηµείο πρόσβασης για τη σύνδεσή του και του αποστέλλει ένα µήνυµα µε τα αναγκαία στοιχεία πρόσβασης του σταθµού.

5 . 5 ∞ ™ À ƒ ª ∞ ∆ ∞ ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ 8 0 2 . 1 1

173

4. Το σηµείο πρόσβασης εξακριβώνει την ορθότητα των στοιχείων πρόσβασης του σταθµού, τα οποία πιστοποιούν την άδεια προχώρησής του στο BSS, και στη συνέχεια ενηµερώνει το σταθµό εργασίας για την αποδοχή του ή την απόρριψή του. 5. Αν ο σταθµός γίνει αποδεκτός στο συγκρότηµα, τότε στέλνει µία αίτηση προσχώρησής του σ’ αυτό. 6. Μόλις το σηµείο πρόσβασης παραλάβει την αίτηση προσχώρησης, προσθέτει το σταθµό εργασίας στον πίνακα διασυνδεδεµένων κόµβων που τηρεί και στέλνει πίσω στο σταθµό ένα µήνυµα επιβεβαίωσης. ™¯‹Ì· 5.16

σηµείο‚ πρόσβασης A

σηµείο‚ πρόσβασης B

1

1 3 2

5

2 4 6

Σε προκαθορισµένα τακτά χρονικά διαστήµατα, τα σηµεία πρόσβασης στέλνουν µηνύµατα ανάλογα µε το µήνυµα του βήµατος 2. Ο κάθε σταθµός εργασίας ακούει αυτά τα µηνύµατα και καταχωρεί και επεξεργάζεται την πληροφορία τους. Ανάλογα µε τις επικρατούσες συνθήκες, ο σταθµός εργασίας µπορεί να αποφασίσει µετακόµιση σε άλλο συγκρότηµα. Για παράδειγµα, όταν ο σταθµός εργασίας κινείται, τότε µπορεί να αποµακρυνθεί από την ενεργή περιοχή του αρχικού σηµείου πρόσβασης, έστω π.χ. Α, και να εισχωρήσει στην περιοχή ενός άλλου σηµείου πρόσβασης Β. Τότε, αν τα BSS των σηµείων Α και Β ανήκουν στο ίδιο ESS, εκτελεί πάλι τα βήµατα 5 και 6 της διαδικασίας προσχώρησης. Παράλληλα, εάν υπάρχει πληροφορία που προορίζεται για το σταθµό εργασίας και είναι προσωρινά αποθηκευµένη στο σηµείο πρόσβασης Α, τότε αυτή µεταφέρεται στο σηµείο πρόσβασης Β, έτσι ώστε ο σταθµός να µην παρατηρήσει κανένα κενό στις επικοινωνίες του. Τέλος, εκτός από το σχήµα πιστοποίησης ταυτότητας χρήστη που ακολουθείται στα βήµατα 3 και 4, τα δίκτυα 802.11 µπορούν να αυξήσουν το βαθµό ασφάλειάς τους κρυπτογραφώντας τη µεταδιδόµενη πληροφορία, χρησιµοποιώντας τεχνικές όπως π.χ. το δηµόσιο κλειδί 40 – bit ή 128 – bit.

Τα βήµατα προσχώρησης ενός σταθµού εργασίας σ’ ένα Συγκρότηµα Βασικής Υπηρεσίας στα δίκτυα τύπου 802.11. Ο σταθµός εργασίας επιλέγει αρχικά ένα σηµείο πρόσβασης (βήµατα 1, 2) και στη συνέχεια εκτελεί µαζί του τις απαραίτητες ενέργειες για την πιστοποίησή του (βήµατα 3, 4) και την προσχώρησή του στο BSS (βήµατα 5, 6).

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

174

5.5.2 ∆Ô ˘ÔÂ›Â‰Ô MAC

Στα ασύρµατα δίκτυα χρησιµοποιείται συνήθως ο µηχανισµός CSMA/CA για τον έλεγχο προσπέλασης του φυσικού µέσου. Αυτός αποτελεί και τον κύριο µηχανισµό και στα δίκτυα 802.11, τα οποία όµως έχουν ενισχυθεί και µε έναν επιπλέον µηχανισµό, έτσι ώστε να προσφέρουν εγγενή υποστήριξη της σύγχρονης κυκλοφορίας. Ο έλεγχος προσπέλασης στο φυσικό µέσο Οι µηχανισµοί CSMA έχουν το µειονέκτηµα του (θεωρητικά) άπειρου µέγιστου χρόνου προσπέλασης στο φυσικό µέσο. Έτσι, τα δίκτυα τύπου CSMA/CD και CSMA/CA δεν µπορούν να εξυπηρετήσουν αποδοτικά τη σύγχρονη µορφή κυκλοφορίας, η οποία επιδέχεται καθυστερήσεις µεταφοράς µόνο εντός επιτρεπτών ορίων. Η οµάδα εργασίας της IEEE για τα δίκτυα 802.11 έλυσε αυτό το πρόβληµα µε τον ακόλουθο απλό τρόπο. Ο χρόνος εξυπηρέτησης ενός σηµείου πρόσβασης χωρίζεται σε κύκλους, οι οποίοι επαναλαµβάνονται περιοδικά. Κάθε κύκλος έχει δύο τµήµατα. Στο πρώτο τµήµα, το οποίο ονοµάζεται Λειτουργία Κατανεµηµένου Συντονισµού (Distributed Coordination Function, DCF), ο έλεγχος προσπέλασης διενεργείται µε το πρωτόκολλο CSMA/CA. Στο δεύτερο τµήµα, το οποίο ονοµάζεται Λειτουργία Σηµειακού Συντονισµού (Point Coordination Function, PCF), το σηµείο πρόσβασης σαρώνει κυκλικά έναν – έναν από τους συνδεδεµένους σταθµούς εργασίας, παραµένοντας σε κάθε σταθµό για ένα προκαθορισµένο χρονικό διάστηµα. Μόνο σ’ αυτό το χρονικό διάστηµα ένας σταθµός επιτρέπεται να αποστείλει δεδοµένα στο δίκτυο ή να λάβει δεδοµένα από το δίκτυο. Μ’ αυτήν την κυκλική σάρωση, µπορούµε έτσι να εγγυηθούµε µία µέγιστη καθυστέρηση µεταφοράς της κυκλοφορίας. Αυτή η απλή λύση έχει δικαίως κατηγορηθεί για τη χαµηλή απόδοση που επιτυγχάνεται, όταν στο συγκρότηµα συµµετέχουν πολλοί σταθµοί εργασίας και αποτελεί ένα σηµαντικό µειονέκτηµα των δικτύων τύπου 802.11. Η µορφή πλαισίων στο 802.11 Η µορφή των πλαισίων 802.11 απεικονίζεται στο σχήµα 5.17. Άξιο παρατήρησης είναι το γεγονός ότι περιέχει τέσσερα πεδία διεύθυνσης MAC στην επικεφαλίδα του, αντί για δύο που περιέχουν τα άλλα πλαίσια 802. Στο πεδίο FC (Frame Control) περιλαµβάνεται όλη η απαραίτητη πληροφορία για το χαρακτηρισµό του πλαισίου. Συγκεκριµένα, προσδιορίζεται η έκδοση του προτύπου 802.11 που χρησιµοποιείται (802.11, 802.11b ή 802.11a) και αν το πλαίσιο περιέχει δεδοµένα ή είναι ένα πλαίσιο ελέγχου (έχουν οριστεί πάνω από 30 διαφορετικά πλαίσια ελέγχου). Επίσης, στο πεδίο FC υπάρχουν τα bits ToDS και FromDS, τα οποία

5 . 5 ∞ ™ À ƒ ª ∞ ∆ ∞ ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞ 8 0 2 . 1 1

175

προσδιορίζουν τη χρήση των τεσσάρων πεδίων διευθύνσεων που ακολουθούν. Τέλος, σ’ αυτό το πεδίο ορίζεται αν το πλαίσιο µεταδίδεται κρυπτογραφηµένο ή όχι.

2 ID

6 Ad.1

6

2

6

6

0 – 2312

4

Ad.2

Ad.3

SC

2 FC

bytes

Ad.4

Πλαίσιο LLC

CRC

FC¡¡¡: Έλεγχος πλαισίου ID¡¡: Tαυτότητα σταθµού

™¯‹Ì· 5.17

SC¡ ¡ : Έλεγχος σειράς CRC¡: Kώδικας κυκλικού πλεονασµού

Η µορφή του πλαισίου ΙΕΕΕ 802.11.

Ad.n¡ : ∆ιεύθυνση MAC

Εάν το bit ToDS έχει την τιµή 1, τότε ο τελικός προορισµός του πλαισίου βρίσκεται εκτός του BBS, στο καλωδιακό δίκτυο διανοµής. Επίσης, εάν το bit FromDS έχει την τιµή 1, τότε το πλαίσιο προέρχεται εκτός του BSS, δηλαδή από το δίκτυο διανοµής. Στον πίνακα 5.3 παρουσιάζονται οι δυνατοί συνδυασµοί των bits ToDS και FromDS και οι αντίστοιχες ερµηνείες των πεδίων Ad.1, Ad.2, Ad.3 και Ad.4. ¶›Ó·Î·˜ 5.3

Οι διαφορετικές ερµηνείες των πεδίων διευθύνσεων στο πλαίσιο IEEE 802.11. ToDS

0

0

1

1

FromDS

Ad.1

Ad.2

Ad.3

Ad.4

Παρατηρήσεις

0

∆ιεύθυνση Προορισµού

∆ιεύθυνση Πηγής

∆ιεύθυνση Σηµείου Πρόσβασης

–

Εντός των ορίων ενός BSS

1

∆ιεύθυνση Προορισµού

∆ιεύθυνση Σηµείου Πρόσβασης

∆ιεύθυνση Πηγής

–

Όταν το πλαίσιο έρχεται από το δίκτυο διανοµής

0

∆ιεύθυνση Σηµείου Πρόσβασης

∆ιεύθυνση Πηγής

∆ιεύθυνση Προορισµού

–

Όταν το πλαίσιο εξέρχεται από το BSS στο δίκτυο διανοµής

1

∆ιεύθυνση σηµείου πρόσβασης αποστολέα

∆ιεύθυνση σηµείου πρόσβασης παραλήπτη

∆ιεύθυνση Προορισµού

∆ιεύθυνση Πηγής

Όταν το πλαίσιο προωθείται από ένα BSS σ’ ένα άλλο BSS

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

176

Τέλος, το πεδίο SC (Sequence Control) χρησιµοποιείται για την αρίθµηση του πλαισίου. Υπενθυµίζουµε ότι στο πρωτόκολλο CSMA/CA υλοποιείται και ένα εσωτερικό σχήµα επιβεβαίωσης λήψης, το οποίο απαιτεί την αρίθµηση των πλαισίων δεδοµένων και των αντίστοιχων πλαισίων επιβεβαιώσεων, σύµφωνα µε όσα έχουµε αναφέρει στην Ενότητα 4. ÕÛÎËÛË ·˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘ 5.7 ∆ιαγράψτε τις λανθασµένες λέξεις ή φράσεις από τις παρακάτω προτάσεις. 1. Ο υψηλότερος ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων στο δίκτυο επιτυγχάνεται στα δίκτυα [ 802.5 | FDDI | 802.11 | τύπου Ethernet | CSMA/CD ]. 2. Σύγχρονη µορφή κυκλοφορίας µπορούν να υποστηρίξουν απευθείας τα δίκτυα [ FDDI | 802.3 | δακτύλιος µε κουπόνι | 802.11 | 10Base – T ]. 3. Τα πρωτόκολλα CSMA υλοποιούνται στα δίκτυα [ 802.5 | Ethernet | FDDI | 802.11b | 100Base – TX ]. 4. Από τα τοπικά δίκτυα που γνωρίσαµε σ’ αυτό το Κεφάλαιο, την καλύτερη απόδοση την επιτυγχάνει το δίκτυο [ FDDI | Ethernet | δακτύλιος µε κουπόνι | 802.11 | Gigabit Ethernet ]. 5. Η µεγαλύτερη απόσταση µεταξύ δύο κόµβων επιτυγχάνεται στα δίκτυα [ 802.5 | FDDI | 1000Base – LX | 802.11 | 1000Base – SX ]. 6. Ένα άνω όριο στο µέγιστο χρόνο προσπέλασης στο φυσικό µέσο µπορεί να οριστεί στα δίκτυα [ 1000Base – SX | 802.5 | δακτύλιος µε κουπόνι | 802.11 | FDDI ]. 7. Ιδεατά τοπικά δίκτυα µπορούµε να ορίσουµε µόνο σε εκτεταµένα τοπικά δίκτυα τύπου [Ethernet | FDDI | 802.5 | 802.11 | 100Base – TX ].

5.6 ∂›Â‰Ô EϤÁ¯Ô˘ §ÔÁÈ΋˜ ™‡Ó‰ÂÛ˘

¶ÚÔÛ‰ÔÎÒÌÂÓ· ·ÔÙÂϤÛÌ·Ù· Όταν θα έχετε µελετήσει αυτήν την ενότητα θα µπορείτε να : • ορίσετε τη βασική λειτουργία του πρωτοκόλλου ΙΕΕΕ 802.2, • περιγράψετε τους τρεις τύπους υπηρεσιών που διαθέτει στο επίπεδο ∆ικτύου το επίπεδο LLC,

5.6 ∂¶π¶∂¢√ ∂§∂°Ã√À §√°π∫∏™ ™À¡¢∂™∏™

• προσδιορίσετε τη µορφή του πλαισίου 802.2. Όπως έχουµε προαναφέρει στην Ενότητα 5.1, το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων στα τοπικά δίκτυα χωρίζεται σε δύο υποεπίπεδα: στον Έλεγχο Προσπέλασης Μέσων (MAC) και στον Έλεγχο Λογικής Σύνδεσης (Logical Link Control – LLC) (βλέπε σχήµα 5.2). Στα τοπικά δίκτυα τύπου ΙΕΕΕ 802, το πρωτόκολλο LLC ορίζεται στο πρότυπο 802.2. Όλα τα πρωτόκολλα MAC που παρουσιάσαµε στις Ενότητες 5.2 – 5.5 έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό: ενώ υλοποιούν έναν ιδεατό σύνδεσµο σηµείου µε σηµείο για την επικοινωνία δύο κόµβων, δεν εξασφαλίζουν την αξιόπιστη µεταφορά δεδοµένων πάνω από αυτόν. Αυτό επιτυγχάνεται µε τις λειτουργίες του επιπέδου LLC. 5.6.1 ∆‡ÔÈ ˘ËÚÂÛÈÒÓ

Το πρότυπο IEEE 802.2 για τον Έλεγχο Λογικής Σύνδεσης ορίζει τρεις τύπους υπηρεσιών που µπορούν να διατεθούν για την επικοινωνία δύο κόµβων. Αυτοί οι τύποι είναι: • η υπηρεσία µε σύνδεση (connection oriented), η οποία παραδίδει στο άκρο του παραλήπτη τα πακέτα δεδοµένων στη σωστή σειρά και χωρίς σφάλµατα µεταφοράς. • η υπηρεσία µε επιβεβαίωση λήψης χωρίς σύνδεση (acknowledged connectionless), η οποία αποστέλλει µόνο ένα πακέτο κάθε φορά και µόνο αφού έχει επιβεβαιωθεί η λήψη του προηγούµενου πακέτου. • η υπηρεσία χωρίς σύνδεση (connectionless), η οποία δεν παρέχει καµία εγγύηση ότι το πακέτο θα φτάσει τελικά στον παραλήπτη ή ότι θα παραδοθεί χωρίς σφάλµατα µεταφοράς. Κατά την υλοποίηση µίας συνοµιλίας µεταξύ κόµβων, το Επίπεδο ∆ικτύου επιλέγει τι είδους υπηρεσία θα ζητήσει από το κατώτερο Επίπεδο LLC, ανάλογα µε τα χαρακτηριστικά της συνοµιλίας. Τα σηµεία διεπαφής των Επιπέδων ∆ικτύου και LLC ονοµάζονται σηµεία πρόσβασης υπηρεσίας (service access point – SAP). Στο σχήµα 5.18 παρουσιάζονται 3 διαφορετικές υπηρεσίες που διατέθηκαν στον κόµβο A για την επικοινωνία του µε τους κόµβους Β και Γ. Παρατηρούµε ότι, επειδή µπορεί να υπάρξουν περισσότερες από µία ροές δεδοµένων κατά την επικοινωνία δύο κόµβων, αυτές θα πρέπει να διαχωρίζονται από τα διαφορετικά σηµεία πρόσβασης υπηρεσίας που χρησιµοποιούν.

177

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

178

bytes 1

1

≥0

1ή2

DSAP SSAP CONT

SAPs

Επίπεδο ∆ικτύου ™¯‹Ì· 5.18

Η µορφή του πλαισίου ΙΕΕΕ 802.2 και τα σηµεία πρόσβασης υπηρεσίας (SAPs) του Ελέγχου Λογικής Σύνδεσης.

Data

LLC MAC Φυσικό Επίπεδο

Κόµβος Α

Κόµβος Β

Κόµβος Γ

5.6.2 ∏ ÌÔÚÊ‹ ÙÔ˘ Ï·ÈÛ›Ô˘ LLC

Στο σχήµα 5.18 απεικονίζεται η µορφή του πλαισίου IEEE 802.2. Τα δύο πρώτα πεδία (DSAP και SSAP) περιέχουν τα σηµεία πρόσβασης υπηρεσίας του προορισµού και της πηγής αντίστοιχα, προσδιορίζοντας έτσι µε τρόπο µοναδικό τη ροή δεδοµένων που εξυπηρετούν. Το πεδίο CONT διευκρινίζει αν στο πλαίσιο περιέχονται δεδοµένα του χρήστη ή είναι κάποιο ειδικό πλαίσιο ελέγχου του επιπέδου LLC. Περιορισµός στο µέγεθος των επισυναπτόµενων δεδοµένων δεν υπάρχει από τις προδιαγραφές του επιπέδου LLC. Επιβάλλεται όµως έµµεσα από το χαµηλότερο επίπεδο MAC.

™YNOæH

™‡ÓÔ„Ë • Το Ethernet/IEEE 802.3, ο ∆ακτύλιος µε Κουπόνι (Token Ring)/ΙΕΕΕ 802.5 και το FDDI είναι τρεις δηµοφιλείς τύποι τοπικών δικτύων. Επίσης, το ασύρµατο τοπικό δίκτυο (WLAN) ΙΕΕΕ 802.11 εµφανίζει µεγάλο βαθµό διείσδυσης στην αγορά τα τελευταία χρόνια. • Στα τοπικά δίκτυα, το Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων χωρίζεται σε δύο υποεπίπεδα: στον Έλεγχο Προσπέλασης Μέσων (MAC) και στον Έλεγχο Λογικής Σύνδεσης (LLC). • Οι τέσσερις βασικές τοπολογίες τοπικών δικτύων είναι η αρτηρία, ο δακτύλιος, ο αστέρας και το δέντρο. • Οι τρεις βασικοί µηχανισµοί ελέγχου προσπέλασης στο φυσικό µέσο είναι η Πολλαπλή Πρόσβαση µε Ακρόαση Φέροντος και Ανίχνευση Συγκρούσεων (CSMA/CD), η Πολλαπλή Πρόσβαση µε Ακρόαση Φέροντος και Αποφυγή Συγκρούσεων (CSMA/CA) και το Πέρασµα Κουπονιού. • Οι τρεις τύποι µεταδόσεων που εφαρµόζονται στα τοπικά δίκτυα είναι η αποστολή προς µεµονωµένο παραλήπτη (unicasting), η πολλαπλή αποστολή (multicasting) και η καθολική εκποµπή (broadcasting). • Οι ονοµαστικοί ρυθµοί µετάδοσης δεδοµένων στα δίκτυα Ethernet κυµαίνονται από τα 10 Mbps έως τα 10 Gbps. Στην πράξη όµως, η περιορισµένη απόδοση του πρωτοκόλλου MAC λόγω συγκρούσεων µεταξύ των κόµβων, µειώνει σηµαντικά τον πραγµατικό ρυθµό µετάδοσης δεδοµένων. • Για τον περιορισµό της αρνητικής επίδρασης των συγκρούσεων στο πρωτόκολλο CSMA/CD µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε µεταγωγείς, οι οποίοι δηµιουργούν πολλαπλές ανεξάρτητες περιοχές συγκρούσεων στο τοπικό δίκτυο. • Τα ιδεατά τοπικά δίκτυα (VLANs) υλοποιούνται για να καλυφθεί η ανάγκη δηµιουργίας πολλαπλών και ανεξάρτητων περιοχών καθολικής εκποµπής µεταξύ των κόµβων, ανεξάρτητα από τη φυσική τους θέση. • Τα δίκτυα τύπου δακτυλίου µε κουπόνι (Token Ring) επιτυγχάνουν συνήθως µία απόδοση πολύ κοντά στη βέλτιστη (100%) και ορίζουν ένα άνω όριο στο µέγιστο χρόνο προσπέλασης στο φυσικό µέσο. Ο µέγιστος ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων που µπορούν να πετύχουν περιορίζεται στα 16 Mbps. • Τα δίκτυα FDDI χρησιµοποιήθηκαν ευρέως στο πρόσφατο παρελθόν για την ανάπτυξη µητροπολιτικών δικτύων (η απόσταση µεταξύ γειτονικών κόµβων µπορεί να φτάσει τα 10 Km) και διαθέτουν εσωτερικό µηχανισµό για τη διαχείριση βλαβών.

179

180

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

Υποστηρίζουν ταυτόχρονα τη σύγχρονη και την ασύγχρονη κυκλοφορία στο δίκτυο και εµφανίζουν συνήθως ικανοποιητική απόδοση. • Τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα (WLAN) 802.11 αποτελούν µία ικανοποιητική λύση στις περιπτώσεις όπου η εγκατάσταση καλωδίωσης είναι προβληµατική ή οικονοµικά ασύµφορη. Χρησιµοποιούν κυρίως το πρωτόκολλο CSMA/CA για τον έλεγχο προσπέλασης στο φυσικό µέσο, αλλά ταυτόχρονα διαθέτουν και µία προαιρετική επιλογή για την υποστήριξη σύγχρονης κυκλοφορίας. Στις τρέχουσες υλοποιήσεις, οι ρυθµοί µετάδοσης δεδοµένων ανέρχονται µέχρι τα 54 Mbps, οι οποίοι στην πράξη όµως περιορίζονται αισθητά. • Το επίπεδο Ελέγχου Λογικής Σύνδεσης µπορεί να εξασφαλίσει την αξιόπιστη µεταφορά δεδοµένων πάνω από τον ιδεατό σύνδεσµο σηµείου µε σηµείο που εγκαθιδρύει το επίπεδο MAC µεταξύ δύο συνοµιλούντων κόµβων. • Οι τρεις τύποι υπηρεσιών που ορίζει το επίπεδο LLC για την επικοινωνία δύο κόµβων είναι: η υπηρεσία µε σύνδεση (connection oriented), η υπηρεσία µε επιβεβαίωση λήψης χωρίς σύνδεση (acknowledged connectionless) και η υπηρεσία χωρίς σύνδεση (connectionless).

B I B § I O ° PA º I A

µÈ‚ÏÈÔÁÚ·Ê›·

Τα πρότυπα IEEE 802 ήταν η κύρια πηγή βιβλιογραφίας σ’ αυτό το Κεφάλαιο. Περίπου έξι µήνες µετά τη δηµοσίευσή τους, τα πρότυπα αυτά διατίθενται δωρεάν από τον επίσηµο δικτυακό τόπο της IEEE 802, στη διεύθυνση http://www.ieee802.org. Σαν υλικό είναι δύσχρηστο για έναν µη πεπειραµένο αναγνώστη, αλλά περιέχουν όλες τις αναγκαίες σχεδιαστικές και λειτουργικές λεπτοµέρειες. Σηµαντικό επίσης είναι το γεγονός ότι αυτός ο δικτυακός τόπος είναι πάντοτε ενηµερωµένος… Ο αναγνώστης που ενδιαφέρεται για τις τεχνολογικές εξελίξεις ενθαρρύνεται να περιηγηθεί στο δικτυακό τόπο δηµόσιας συζήτησης για το 10 Gigabit Ethernet (http://www.10gea.org ). Το άρθρο µε το οποίο οι Metcalfe και Boggs (1976) παρουσίασαν το πρωτότυπο σύστηµά τους, το οποίο ονόµασαν Ethernet, παρουσιάζει, ιστορικό κυρίως, ενδιαφέρον. Για την απόδοση των διαφόρων πρωτοκόλλων MAC συµβουλευτήκαµε το βιβλίο του Walrand (1998), του οποίου η προηγούµενη έκδοση έχει µεταφραστεί στα Ελληνικά από το Μ. Αναγνώστου (1997). Τα τοπικά δίκτυα παρουσιάζονται µε εξαιρετικό τρόπο στο βιβλίο του Tanenbaum (1996). Και σ’ αυτό το βιβλίο, η προηγούµενή του έκδοση έχει µεταφραστεί στα Ελληνικά από τους Ν. Παπαντώνη και Κ. Καραΐσκο (1992). Ένα πολύ καλογραµµένο και περιεκτικό κείµενο για το FDDI διατίθεται δωρεάν από το Πανεπιστήµιο του New Hampshire στη διεύθυνση http://www.iol.unh.edu/training/fddi/htmls/ Για τα ασύρµατα δίκτυα γενικότερα, και όχι µόνο για τα ασύρµατα τοπικά δίκτυα, µία καλή αναφορά αποτελεί το βιβλίο των Pahlavan και Krishnamurthy (2002). Τέλος, για τον αναγνώστη που ενδιαφέρεται για µία εισαγωγική παρουσίαση θεµάτων υλοποίησης και διαµόρφωσης τοπικών δικτύων µπορούµε να του συστήσουµε το βιβλίο της Shinder (2001). [1] Robert M. Metcalfe and David R. Boggs. «Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks». Association for Computing Machinery. Vol. 19, No. 5 (1976). [2] Jean Walrand. «Communications Networks: A First Course». Second Edition. McGraw – Hill. ISBN 0 – 256 – 17404 – 0. (1998).

181

182

K E º A § A I O 5 : ∆ √ ¶ π ∫ ∞ ¢ π ∫ ∆ À∞

[3] Jean Walrand. «∆ίκτυα Επικοινωνιών». Μετάφραση: Μιλτιάδης Αναγνώστου. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. ISBN 960 – 7510 – 45 – 3. (1997). [4] Andrew Tanenbaum. «Computer Networks». Third Edition. Prentice – Hall, Inc. ISBN 0 – 13 – 349945 – 6. (1996). [5] Andrew Tanenbaum. «∆ίκτυα Υπολογιστών». Μετάφραση: Νίκος Παπαντώνης και Κώστας Καραϊσκος. Εκδόσεις Παπασωτηρίου. ISBN 960 – 7182 – 00 – 6. (1992). [6] Kaveh Pahlavan and Prashant Krishnamurthy. «Principles of Wireless Networks: A Unified Approach». Prentice Hall. ISBN 0 – 13 – 093003 – 2. (2002). [7] Debra Littlejohn Shinder. «Computer Networking Essentials». Cisco Press. ISBN 1587130386. (2001).

∞·ÓÙ‹ÛÂȘ ∞Û΋ÛÂˆÓ ∞˘ÙÔ·ÍÈÔÏfiÁËÛ˘

1.1 (α)

(β)

❏

" ❏

❏

" ❏

❏

" ❏

" ❏

❏

❏

" ❏

Ταχύτερη απόκριση; ∆ύο χέρια έχει όλα και όλα ο αποθηκάριος. Τι να πρωτοπρολάβει; Πληρέστερη ενηµέρωση; Οι κινήσεις θα πρέπει να καταχωρίζονται αµέσως µόλις γίνονται. Αν υπάρχει στον αποθηκάριο πίεση χρόνου, τότε υπάρχει πιθανότητα να δώσει λανθασµένη απάντηση, µην ελέγχοντας τις κινήσεις που περιµένουν προς καταχώριση. Αυξηµένος φόρτος διαχείρισης; Στο δεύτερο τρόπο θα πρέπει να οριστούν, π.χ. κάποιοι κανόνες διαιτησίας για την περίπτωση που ζητάνε ταυτόχρονα την ίδια κίνηση, ή κάποιος τρόπος ενηµέρωσης των χρηστών στην περίπτωση αλλαγής διαδικασιών λειτουργίας. Μεγαλύτερη ασφάλεια; Είναι ευκολότερο και αποτελεσµατικότερο να αστυνοµεύεις µόνο τον αποθηκάριο παρά όλους τους χρήστες ταυτόχρονα. Αυξηµένη διαθεσιµότητα; Τι θα γίνει άµα αρρωστήσει ο αποθηκάριος; 1.2 Το πλήθος των πακέτων προς µετάδοση ισούται µε K = S/P (για λόγους απλότητας θεωρούµε ότι το S είναι ακέραιο πολλαπλάσιο του P). Ο χρόνος µετάδοσης ενός πακέτου µέσω ενός συνδέσµου ισούται µε t = P/R sec. Οπότε, ο συνολικός χρόνος µετάδοσης ενός πακέτου µέσω του δικτύου ισούται µε tN = N ◊ (P/R) sec. Η ενστικτώδης αλλά και η πιο συνηθισµένη λανθασµένη απάντηση που δίνεται είναι ότι ο συνολικός χρόνος µεταφοράς θα ισούται µε το πλήθος των πακέτων επί το χρόνο µεταφοράς ενός πακέτου, δηλαδή T = K ◊ tN. Το λάθος είναι ότι µε αυτή τη θεώρηση, πριν στείλουµε ένα πακέτο µέσα στο δίκτυο, θα έπρεπε να περιµένουµε να «βγει» το προηγούµενο πακέτο από το δίκτυο. Όµως, κατά τη µετάδοση πακέτων µε αποθήκευση – και – προώθηση µπορούµε να στέλνουµε τα πακέτα συνεχόµενα

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

184

µέσα στο δίκτυο. Το πρώτο πακέτο θα βγει από το δίκτυο µετά από χρόνο tN. Το δεύτερο πακέτο θα βγει P/R sec µετά από το πρώτο πακέτο (όσος δηλαδή είναι ο χρόνος µετάδοσής του µέσω ενός συνδέσµου). Το ίδιο και τα υπόλοιπα. Οπότε, ο συνολικός χρόνος µεταφοράς του αρχείου θα είναι ίσος µε ÊS ˆ P T = t N + ( K - 1) ◊ t = Á + N - 1˜ ◊ ËP ¯ R Επίσης, εάν P¢ είναι το νέο µέγεθος πακέτου, θα πρέπει Ê S ˆ P¢ 1 T ¢ = T ¤ Á + N - 1˜ ◊ = 2 Ë P¢ ¯ R =

ˆ P S 1 ÊS 1 ,N π1 ◊ Á + N - 1˜ ◊ ¤ º ¤ P ¢ = P 2 ËP 2 2( N - 1) ¯ R

Παρατήρηση: Οι χρόνοι κατακερµατισµού και επανασύνθεσης του αρχείου και ο χρόνος διάδοσης του πακέτου στο φυσικό µέσο έχουν θεωρηθεί αµελητέοι, κάτι που δε συµβαίνει στην πραγµατικότητα. 1.3 Σωστές απαντήσεις είναι οι (β) και (δ). (α)Εφόσον, εξ ορισµού, τα πακέτα µπορούν να ακολουθήσουν διαφορετικές διαδροµές κατά τη διέλευσή τους από το δίκτυο, τότε ο χρόνος µεταφοράς τους είναι πολύ πιθανό να επιβαρυνθεί µε διαφορετική καθυστέρηση, ανάλογη µε τη διαδροµή που ακολούθησαν. Έτσι, τα πακέτα είναι πολύ πιθανό να λαµβάνονται από τον παραλήπτη σε διαφορετική διάταξη από αυτήν που έχουν σταλεί και να ταξινοµούνται πριν από την επανασύνθεσή τους στα αρχικά δεδοµένα. (β) Πολύ σωστά! Πράγµατι, στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων µε ιδεατά κυκλώµατα, εάν ένας µεταγωγέας υποστεί βλάβη, τότε όλα τα ιδεατά κυκλώµατα που εξυπηρετεί θα χαθούν. Αντίθετα, στα δίκτυα µεταγωγής µε αυτοδύναµα πακέτα η ροή δεδοµένων θα µπορεί να διοχετευτεί από εναλλακτικές διαδροµές. (γ) Εφόσον η καθυστέρηση που επιβαρύνει το χρόνο µεταφοράς ενός πακέτου εξαρτάται από τη διαδροµή που έχει ακολουθήσει µέσα στο δίκτυο, τότε είναι πολύ πιθανό η µεγαλύτερη διακύµανση στην καθυστέρηση να εµφανίζεται όταν τα πακέτα ακολουθούν διαφορετικές διαδροµές παρά όταν ακολουθούν την ίδια διαδροµή. Μην απογοητεύεστε! Ο προσδιορισµός της διακύµανσης της καθυστέ-

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

185

ρησης πακέτων είναι ένα πολύ δύσκολο πρόβληµα. (δ) Η απάντηση είναι προφανής. Όπως άλλωστε δηλώνεται και στον τίτλο τους, µόνο στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων µε ιδεατά κυκλώµατα εκτελούνται λειτουργίες όπως η αίτηση για αποδοχή κλήσης, η εύρεση εφικτής διαδροµής για την εξυπηρέτηση της κλήσης και η αποδοχή κλήσης. 1.4 Η πρώτη ερώτηση που θα περίµενα να ακούσω από σας είναι: «Μα µπορούµε να απαντήσουµε στο ερώτηµα χωρίς να γνωρίζουµε το µέγεθος των πακέτων;». Όπως θα δούµε παρακάτω, πράγµατι δε χρειαζόµαστε το µέγεθος των πακέτων για την απάντηση. Εάν συµβολίσουµε µε x το µέγεθος του πακέτου, τότε, όπως δείξαµε στην Άσκηση Αυτοαξιολόγησης 1.2, ο συνολικός χρόνος µετάδοσης των πακέτων µε το ιδεατό κύκλωµα θα ισούται µε N ( x + 5) ( x + 5) ( x + 5) + ( K - 1) ◊ ¤ TVC = Tsetup + ( N + K - 1) ◊ R R R όπου µε Tsetupσυµβολίζουµε το χρόνο εγκαθίδρυσης του ιδεατού κυκλώµατος. TVC = Tsetup +

Αντίστοιχα, ο συνολικός χρόνος µετάδοσης µε αυτοδύναµα πακέτα θα είναι ίσος µε TD = ( N + K - 1) ◊

( x + 10 ) R

Οπότε, επειδή TVC - TD = Tsetup + ( N + K - 1) ◊ = 0,1 - 100 ◊

( x + 5 - x - 10 ) R

5 = 0, 05 > 0 ¤ TVC > TD 10.000

θα έχουµε τη µικρότερη καθυστέρηση κατά τη µετάδοση µε αυτοδύναµα πακέτα. 1.5 Με την πολύπλεξη χρόνου: Σωστό Πρέπει να γνωρίζουµε εκ των προτέρων το πλήθος των κόµβων που θα εξυπηρετούµε στο διαµοιραζόµενο σύνδεσµο. Ναι, για να µπορούµε να ορίσουµε τη διάρκεια και το πλήθος

Λάθος

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

186

των στοιχειωδών τµηµάτων κύκλου εξυπηρέτησης που δεσµεύονται για κάθε κόµβο. Αυτό έχει ως µειονέκτηµα τη δυσκολία προσθήκης ή αφαίρεσης ενός κόµβου προς εξυπηρέτηση, καθώς θα απαιτείται " επαναπρογραµµατισµός του πολυπλέκτη και του αποπλέκτη. ❏

❏

Ο διαµοιραζόµενος σύνδεσµος µπορεί να παραµένει αχρησιµοποίητος, παρ’ όλο που υπάρχουν δεδοµένα προς µετάδοση. Στο παράδειγµα του Σχήµατος 1.7, έστω ότι ο κόµβος Α1 θέλει να αποστείλει δεδοµένα 10 bits προς τον κόµβο Π1 και ότι ο Α2 θέλει να αποστείλει 1000 bits στον Π2. Εάν ο ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων του συνδέσµου Μ1 – Μ2 είναι 20 bits/sec και ο κύκλος εξυπηρέτησης µοιράζεται ισοµερώς στους δύο κόµβους, τότε σε κάθε sec θα µεταδίδονται 10 bits από τον Α1 και 10 bits από τον Α2. Έτσι όµως, µετά το 1ο sec, σε όλα τα στοιχειώδη τµήµατα χρόνου εξυπηρέτησης που έχουν δεσµευτεί για τον κόµβο Α1 δε θα υπάρχουν δεδοµένα προς µετάδοση. Κατά συνέπεια, ο σύνδεσµος θα υποχρησιµοποιείται, παρ’ όλο που θα υπάρχουν δεδοµένα προς µετάδοση από τον κόµβο Α2. Βέβαια, η λύση είναι να µοιράσουµε τον κύκλο εξυπηρέτησης σε 1010 στοιχειώδη τµήµατα και να δεσµεύσουµε 10 τµήµατα για την εξυπηρέτηση του Α1 και 1000 τµήµατα για τον Α2. Τι γίνεται όµως στην περίπτωση που ο όγκος των δεδοµένων προς µετάδοση " µεταβάλλεται µε το χρόνο; ❏

❏

Η εξυπηρέτηση ενός κόµβου είναι ανεξάρτητη από το φόρτο και τη λειτουργία των άλλων εξυπηρετούµενων κόµβων. Σωστό, και πηγάζει από τον ορισµό λειτουργίας της πολύπλεξης χρόνου. Αυτό είναι σηµαντικό στην περίπτωση ελαττωµατικής συσκευής, σφάλµατος ή κακόβουλης χρήσης, όπου ένας κόµβος αποστέλλει µεγάλο όγκο δεδοµένων προς µετάδοση από το διαµοιραζόµενο σύνδεσµο. Σε αυτή την περίπτωση η εξυπηρέτηση των άλλων κόµβων θα παραµείνει ανεπηρέαστη.

" ❏

❏

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

187

1.6 Με τη στατιστική πολύπλεξη: Σωστό

Λάθος

❏

" ❏

Πρέπει να γνωρίζουµε εκ των προτέρων το πλήθος των κόµβων που θα εξυπηρετούµε στο διαµοιραζόµενο σύνδεσµο. Ο διαµοιραζόµενος σύνδεσµος εξυπηρετεί τα πακέτα που έχουν αποθηκευτεί προσωρινά στον ενταµιευτή του, χωρίς να τον ενδιαφέρει από πόσους και από ποιους κόµβους προέρχονται αυτά τα πακέτα.

Ο διαµοιραζόµενος σύνδεσµος µπορεί να παραµένει αχρησιµοποίητος, παρ’ όλο που υπάρχουν δεδοµένα προς µετάδοση. Το µεγάλο πλεονέκτηµα της στατιστικής πολύπλεξης είναι ότι ο κάθε εξυπηρετούµενος κόµβος µπορεί να δεσµεύσει χρόνο εξυπηρέτησης από το διαµοιραζόµενο σύνδεσµο µόνο όταν έχει δεδοµένα προς µετάδοση. Έτσι, ο σύνδεσµος δεν µπορεί να παραµένει αχρησιµοποίητος όταν υπάρχουν δεδοµένα προς µετάδοση. Αν επιλέξατε το «σωστό» σε αυτή την ερώτηση, µην προχωρήσετε παρακάτω πριν µελετήσετε για µια ακόµα φορά την Ενότητα 1.3. ❏ Η εξυπηρέτηση ενός κόµβου είναι ανεξάρτητη από το φόρτο και τη λειτουργία των άλλων εξυπηρετούµενων κόµβων. Στο παράδειγµα του Σχήµατος 1.7, έστω ότι ο κόµβος Α1 στέλνει 1000 πακέτα δεδοµένων προς τον Π1, πριν προλάβει ο Α2 να στείλει ένα πακέτο προς τον Π2. Τότε, ο σύνδεσµος θα εξυπηρετήσει πρώτα τα 1000 πακέτα της ροής Α1 – Π1 που εισήλθαν αρχικά στον ενταµιευτή, προτού εξυπηρετήσει το µοναδικό πακέτο της ροής Α2 – Π2. ∆ηλαδή ένας κόµβος εξαρτάται από το φόρτο και τη λειτουργία των άλλων κόµβων µε τους οποίους πολυπλέκεται στατιστικά σε µια ενιαία ροή δεδοµένων. Για να αµβλυνθεί το κόστος αυτής της εξάρτησης, διάφοροι τρόποι εξυπηρέτησης πακέτων έχουν προταθεί στη βιβλιογραφία. Αντιπροσωπευτικό παράδειγµα είναι η εξυπηρέτηση µε σχήµα προτεραιοτήτων, όπου µια εισερχόµενη ροή εξυπηρετείται µόνο

" ❏

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

188

εάν δεν υπάρχουν δεδοµένα υψηλότερης προτεραιότητας προς µετάδοση.

❏

" ❏

1.7 Αυτή ήταν µια πολύ πονηρή ερώτηση! Σκόπιµα δεν έχει προσδιοριστεί το µέγεθος του καρέ, παρ’ όλο που η τιµή του παίζει πολύ σηµαντικό ρόλο στη διαµόρφωση της απάντησης (συγκεκριµένα, αυτό που έχει σηµασία είναι το αν τα καρέ έχουν σταθερό ή µεταβλητό µέγεθος). Έστω, π.χ. ότι η εικόνα εκπέµπεται µε ανάλυση 800 ¥ 600 και ότι κάθε κουκκίδα έχει βάθος χρώµατος 8 bits. Τότε, το µέγεθος του καρέ θα ισούται µε 800 ¥ 600 ¥ 8 bits @ 468 KB. Εάν στέλνουµε το κάθε καρέ αυτούσιο µέσα στο δίκτυο, τότε ο ρυθµός αποστολής δεδοµένων στο δίκτυο θα είναι σταθερός και ίσος µε 30 καρέ/sec ¥ 468 KB/καρέ = 14040 KB/sec @ 110 Mbps. Στα σύγχρονα δίκτυα, για τη µεταφορά κινούµενης εικόνας συνήθως χρησιµοποιούνται διάφορες τεχνικές, οι οποίες αποστέλλουν µόνο ένα µέρος του καρέ και όχι αυτούσιο. π.χ. αποστέλλουν µόνο εκείνα τα τµήµατα του καρέ που είναι διαφορετικά από τα αντίστοιχα τµήµατα του προηγούµενου καρέ (άλλες πιο εξελιγµένες τεχνικές αντιπαραβάλλουν ένα καρέ µε µια ακολουθία προηγούµενων ή/και επόµενων καρέ για να προσδιορίσουν την προς µετάδοση πληροφορία). Σε αυτή την περίπτωση, το µέγεθος του καρέ έχει µεταβλητή τιµή. Κατά συνέπεια, εφόσον δε γνωρίζουµε πώς αποστέλλονται τα καρέ µέσα στο δίκτυο, θα πρέπει να δώσουµε δύο απαντήσεις στο ερώτηµα της άσκησης. Για την περίπτωση των καρέ σταθερού µεγέθους, οι χρόνοι διάδοσης και µετάδοσης θα είναι οι ίδιοι για κάθε καρέ. Εκτός από το µέγεθος της µεταδιδόµενης πληροφορίας, ο χρόνος αναµονής στον ενταµιευτή του κάθε µεταγωγέα εξαρτάται τόσο από την τρέχουσα κατάσταση του δικτύου όσο και από το πλήθος και τα χαρακτηριστικά των εφαρµογών που εξυπηρετεί ταυτόχρονα ο µεταγωγέας. Και επειδή είναι σχεδόν απίθανο να συµπέσουν οι τιµές όλων αυτών των παραµέτρων, ο χρόνος αναµονής αναµένουµε να είναι διαφορετικός σε κάθε καρέ. Για την περίπτωση των καρέ µεταβλητού µεγέθους, εκτός από το χρόνο αναµονής, και οι χρόνοι διάδοσης και µετάδοσης θα έχουν διαφορετικές τιµές σε κάθε καρέ, εξαιτίας του διαφορετικού όγκου της διαδιδόµενης και µεταδιδόµενης πληροφορίας, αντίστοιχα. Από τα παραπάνω συµπεραίνουµε ότι η εξοικονόµηση που επιτυγχάνουµε στους πόρους του δικτύου µε τις σύγχρονες τεχνικές εκποµπής κινούµενης εικόνας εξαρ-

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

189

γυρώνεται µε την υψηλότερη διακύµανση της καθυστέρησης µεταφοράς των καρέ και µε τη µεγαλύτερη πολυπλοκότητα στις συσκευές ποµπού και δέκτη. 2.1 Σωστό

Λάθος

❏

" ❏

" ❏

❏

Τα διευθυντικά στελέχη αντιλαµβάνονται τις δυσκολίες αποστολής του µηνύµατος µέσω fax. Εάν το τηλεοµοιοτυπικό µήνυµα δεν είναι αναγνώσιµο, τότε η γραµµατέας του παραλήπτη θα επικοινωνήσει µε τη γραµµατέα του αποστολέα και θα ζητήσει την αναµετάδοσή του, όσες φορές αυτό χρειαστεί. Γι’ αυτές τις ενέργειες των γραµµατέων, οι διευθυντές τους δε χρειάζεται να ενηµερώνονται. Όλες οι απαιτούµενες διαδικασίες για την αξιόπιστη αποστολή ενός τηλεοµοιοτυπικού µηνύµατος παραµένουν «κρυφές» από τους χρήστες της υπηρεσίας «αποστολή fax». Τη βλέπουν σαν «µαύρο κουτί» και αγνοούν τις λεπτοµέρειες και την πολυπλοκότητά της. Στο αρχικό µήνυµα έχει προστεθεί επιπλέον πληροφορία πριν αποσταλεί µέσω του fax. Στο επίπεδο του µεταφραστή, το αρχικό µήνυµα αλλάζει γλώσσα απόδοσης. Ενώ αρχικά είναι στα ελληνικά, σε αυτό το στάδιο µεταφράζεται στα αγγλικά. Εδώ πρέπει να προσέξουµε ότι το περιεχόµενο του µηνύµατος δεν άλλαξε. Του προστέθηκε όµως µια επικεφαλίδα η οποία προσδιορίζει τη γλώσσα µετάφρασης του µηνύµατος. Στο επίπεδο της γραµµατέας, προστίθεται ακόµα µια επικεφαλίδα, που δηλώνει τον αριθµό fax του παραλήπτη, ο οποίος αποτελεί µια µοναδικά οριζόµενη διεύθυνση στο τηλεπικοινωνιακό δίκτυο των συσκευών τηλεοµοιοτυπίας. Η ανταλλαγή µηνυµάτων µεταξύ των διευθυντικών στελεχών είναι ουσιαστικά ισοδύναµη µε την απευθείας επικοινωνία. Αν και για την ανταλλαγή πληροφοριών µεταξύ των διευθυντικών στελεχών απαιτούνται πολλά βήµατα (µετάφραση στην καθολικά αποδεκτή γλώσσα, αποστολή και λήψη fax, µετάφραση στη γλώσσα του παραλήπτη), όλα αυτά αποκρύπτονται, και έτσι

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

190

δηµιουργείται η εντύπωση ότι επικοινωνούν απευθείας µεταξύ τους. Αντίστοιχη απευθείας επικοινωνία φαίνεται να έχουν και οι µεταφραστές και οι γραµµατείς, ενώ απευθείας επικοινωνούν πραγµατικά µόνο οι συσκευές fax.

" ❏

❏

❏

" ❏

Κάθε επίπεδο επικοινωνίας πρέπει να γνωρίζει να αλληλεπιδρά µε όλα τα υπόλοιπα επίπεδα επικοινωνίας. Για δοκιµάστε να πείτε στο διευθυντή σας ότι πρέπει να µάθει να χειρίζεται τη συσκευή fax ☺. Στο παράδειγµά µας απαιτείται µόνο να ξέρει να αλληλεπιδρά µε το µεταφραστή του, δηλαδή µόνο µε αυτόν που έχει άµεση αλληλεπίδραση. Αντίστοιχα και µε τα άλλα επίπεδα επικοινωνίας. 2.2 Σωστές προτάσεις είναι µόνο οι (β) και (δ). Πράγµατι, µια από τις βασικές αρχές στη σχεδίαση των συστηµάτων και στην τεχνολογία λογισµικού είναι η απουσία περιττής πληροφορίας στα µηνύµατα που ανταλλάσσουν µεταξύ τους τα επιµέρους υποσυστήµατα. Επίσης, η ορθότητα της πρότασης (δ) πηγάζει απευθείας από τον ορισµό της διαστρωµάτωσης στα δίκτυα υπολογιστών. Η σαφής διάκριση των λειτουργιών µε διαφορετικά επίπεδα αφαίρεσης είναι από τις βασικές ενέργειες στο σχεδιασµό µιας αρχιτεκτονικής δικτύου. Το σηµείο επαφής υπηρεσίας ενός πρωτοκόλλου προσδιορίζει µε σαφήνεια την παρεχόµενη υπηρεσία και καθορίζει τις πρωτογενείς λειτουργίες της. Το πώς υλοποιείται αυτή η υπηρεσία µέσα στον κώδικα του πρωτοκόλλου είναι κάτι τελείως ανεξάρτητο. Νέες υλοποιήσεις πρωτοκόλλων µπορούν να αντικαταστήσουν παλαιότερες, αρκεί και µόνο να προσφέρουν το ίδιο σύνολο υπηρεσιών προς τα υψηλότερα επίπεδα. Συνεπώς, η πρόταση (α) είναι λανθασµένη. Οι κανόνες και οι συνθήκες επικοινωνίας δύο οµότιµων διεργασιών καθορίζονται στο σηµείο επαφής πρωτοκόλλου. Κατά συνέπεια, η πρόταση (γ) είναι λανθασµένη, καθώς η µορφή των µηνυµάτων που ανταλλάσσουν οι οµότιµες διεργασίες καθορίζεται στο σηµείο επαφής πρωτοκόλλου. Τέλος, η πρόταση (ε) είναι επίσης λανθασµένη, καθώς το επίπεδο Ν χρησιµοποιεί τις υπηρεσίες του επιπέδου Ν – 1 για να παράσχει τις υπηρεσίες του στο επίπεδο Ν + 1. Αν απαντήσατε σωστά σε αυτή την άσκηση, τότε µπράβο σας! Αν όχι, τότε θα πρέ-

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

πει να µελετήσετε ξανά την Υποενότητα 2.1.1 και να προσπαθήσετε πάλι – είµαι σίγουρος ότι την επόµενη φορά θα τα καταφέρετε. 2.3 Για να σας βοηθήσω στην απάντηση, ας θεωρήσουµε το ακόλουθο σενάριο. Έστω ότι σχεδιάζετε το διαδίκτυο µιας εταιρείας µε υποκαταστήµατα σε διάφορες πόλεις της Ελλάδας. Το τηλεπικοινωνιακό κόστος για τη µίσθωση των µόνιµων κυκλωµάτων δεν είναι καθόλου αµελητέο, και συνήθως ανέρχεται σε µερικά χιλιάδες ευρώ. Εάν στην αρχιτεκτονική δικτύου που σχεδιάζετε η επιβάρυνση από τις επικεφαλίδες και τις «ουρές» των ενδιάµεσων πρωτοκόλλων είναι, π.χ. της τάξεως του 100% (δηλαδή σε κάθε πακέτο Α bits προστίθενται άλλα Α bits ως πληροφορία ελέγχου πριν µεταβιβαστεί στον παραλήπτη), τότε το ποσοστό χρησιµοποίησης των µισθωµένων γραµµών θα ισούται µε 50%. Εάν επανασχεδιάσετε το δίκτυο µε επιβάρυνση 50%, τότε το ποσοστό χρησιµοποίησης των γραµµών θα αυξηθεί στο 67%, θα έχετε δηλαδή επιτύχει µια διόλου ευκαταφρόνητη βελτίωση στη χρήση των γραµµών. Αντίστοιχο θα ήταν το αποτέλεσµα και στην περίπτωση που ως κριτήριο σχεδιασµού του δικτύου είχαµε την ταχύτητα µεταβίβασης των δεδοµένων αντί το τηλεπικοινωνιακό κόστος. Βέβαια, στην πραγµατικότητα ο υπολογισµός του ποσοστού χρησιµοποίησης των γραµµών είναι πολύ πιο σύνθετος, αλλά η βασική ιδέα για το σχεδιασµό δικτύων µε µικρή επιβάρυνση από πληροφορίες ελέγχου παραµένει αναλλοίωτη. Γι’ αυτούς που δεν έδωσαν µια απάντηση αντίστοιχη µε την παραπάνω, θα ήθελα να τονίσω ότι στην αρχή είναι πάντα δύσκολο να κάνεις τέτοιους συλλογισµούς. Στην πορεία πιστεύω ότι θα τα πάτε πολύ καλύτερα. Για τους υπόλοιπους θα έλεγα ότι ήδη τα πάτε πολύ καλά! 2.4 Σωστή απάντηση είναι µόνο η (α). Υπενθυµίζουµε συνοπτικά ότι: • η φυσική διεύθυνση ενός κόµβου είναι µοναδική, εκ κατασκευής, σε όλα τα δίκτυα που αναπτύσσονται πάνω από φυσικό µέσο ιδίου τύπου, ενώ • η διεύθυνση δικτύου ενός κόµβου είναι µοναδική στα όρια του δικτύου στο οποίο ανήκει. Έτσι:

191

192

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

(α)Οι φυσικές διευθύνσεις των κόµβων Α και Β είναι πράγµατι διαφορετικές εκ κατασκευής, διότι συνδέονται σε φυσικό µέσο ιδίου τύπου. (β) Οι διευθύνσεις δικτύου των κόµβων Α και Β πρέπει να είναι διαφορετικές, διότι συνδέονται στο ίδιο δίκτυο δ1. (γ) Οι φυσικές διευθύνσεις των κόµβων Α και ∆ είναι εκ κατασκευής διαφορετικές, άσχετα αν ανήκουν στο ίδιο δίκτυο ή όχι. (δ) Εφόσον οι κόµβοι Α και ∆ ανήκουν σε διαφορετικά δίκτυα, τότε, εξ ορισµού, δεν απαγορεύεται να έχουν τις ίδιες διευθύνσεις δικτύου. (ε) Η φυσική διεύθυνση ενός κόµβου είναι αποτυπωµένη στο υλικό µέρος του και δεν µπορεί να αλλάξει. Αντίθετα, η διεύθυνση δικτύου ενός κόµβου είναι παράµετρος του λογισµικού του και µπορεί να αλλάξει κατά τη µεταφορά του κόµβου από ένα δίκτυο σε ένα άλλο. Αν δώσατε τη σωστή απάντηση, τότε έχετε πιάσει το νόηµα! Αν όχι, µην απογοητεύεστε. Οι περισσότεροι συγχέουν αυτές τις έννοιες. Θα πρότεινα να διαβάσετε ξανά τις Υποενότητες 2.2.2 και 2.2.3 και να προσπαθήσετε πάλι. Συµπληρωµατικά, αξίζει να αναφερθούν σε αυτό το σηµείο οι δύο, πιο συχνά χρησιµοποιούµενες, µορφές διευθυνσιοδότησης: η ιεραρχική και η επίπεδη (βλέπε Σχήµα 2.9). Στην ιεραρχική διευθυνσιοδότηση, οι διευθύνσεις οργανώνονται σε πολυάριθµα διαδοχικά πεδία, το καθένα από τα οποία περιορίζει τη διεύθυνση µε τέτοιον τρόπο, έτσι ώστε αυτή τελικά να υποδεικνύει ένα µόνο κόµβο στο δίκτυο. Για παράδειγµα, ιεραρχική είναι η ταχυδροµική διεύθυνση η οποία ορίζεται από πέντε πεδία: Χώρα, Πόλη, Τ.Κ., Οδός και Αριθµός. Θέτοντας ως διεύθυνση την «Ελλάδα, Πάτρα, 26221, Κωλέττη 1», περιορίζουµε σταδιακά το εύρος των διευθύνσεων, έτσι ώστε αυτό τελικά να δηλώνει ένα µοναδικό προορισµό (π.χ. δίνοντας τιµή «Ελλάδα» στο πεδίο Χώρα, περιορίζουµε το εύρος των διευθύνσεων µόνο σε αυτές που ανήκουν στην Ελλάδα, ορίζοντας ως Πόλη την «Πάτρα», επιλέγουµε µόνο τις διευθύνσεις της Ελλάδας που ανήκουν στην Πάτρα, κ.ο.κ.). Στην επίπεδη διευθυνσιοδότηση οι διευθύνσεις οργανώνονται σε ένα µόνο πεδίο, υστερώντας έτσι από το ιεραρχικό σχήµα διευθυνσιοδότησης σε θέµατα ταξινόµησης και αναζήτησης διευθύνσεων. Οι φυσικές διευθύνσεις ακολουθούν συνήθως το επίπεδο σχήµα διευθυνσιοδότησης, ενώ οι διευθύνσεις δικτύου το ιεραρχικό.

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

193

™¯‹Ì· 2.9

Σχηµατική αναπαράσταση του ιεραρχικού και του επίπεδου σχήµατος διευθυνσιοδότησης

α. α.α α.β α.α.α

α.α.β

α

α.γ α.α.γ

α.α.β.α

α.α.β.β

β

ε

α.α.β.γ γ

(α) ιεραρχικό σχήµα διευθυνσιοδότησης

δ

(β) επίπεδο σχήµα διευθυνσιοδότησης

2.5 • κρυπτογράφηση

Παρουσίασης

• έλεγχος σφαλµάτων

Σύνδεσης ∆εδοµένων, Μεταφοράς

• υλοποίηση προδιαγραφών του φυσικού µέσου

Φυσικό

• φυσική διευθυνσιοδότηση

Σύνδεσης ∆εδοµένων

• έλεγχος συµφόρησης

∆ικτύου

• υλοποίηση συνόδων µεταξύ τελικών εφαρµογών

Συνόδου

• πολύπλεξη µηνυµάτων

Μεταφοράς

• έλεγχος ροής

Σύνδεσης ∆εδοµένων, Μεταφοράς

• διευθυνσιοδότηση δικτύου

∆ικτύου

• δροµολόγηση

∆ικτύου

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

194

• παροχή στοιχειωδών υπηρεσιών δικτύου στις τελικές εφαρµογές

Εφαρµογής

• συµπίεση

Παρουσίασης

• συγχρονισµός

Συνόδου

• υλοποίηση καναλιού επικοινωνίας µεταξύ τερµατικών κόµβων

Μεταφοράς

• αναπαράσταση δεδοµένων

Παρουσίασης

Σε αυτό το σηµείο αξίζει να υπενθυµίσουµε ότι στο Επίπεδο Μεταφοράς ο έλεγχος σφαλµάτων και ο έλεγχος ροής διενεργούνται επί των δεδοµένων που ανταλλάσσονται µεταξύ των τελικών κόµβων, ενώ στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων διενεργούνται σε κάθε ενδιάµεσο σύνδεσµο της διαδροµής που διασυνδέει τους τελικούς κόµβους. Αν αντιστοιχίσατε σωστά τις λειτουργίες µε τα επίπεδα OSI, τότε µπράβο σας! Αν όχι, θα πρότεινα να ξαναδιαβάσετε προσεκτικά την Ενότητα 2.2 πριν προχωρήσετε παρακάτω. 2.6 «Τα προς µετάδοση δεδοµένα οργανώνονται σε µηνύµατα στο Επίπεδο Μεταφοράς, σε πακέτα στο Επίπεδο ∆ικτύου και σε πλαίσια στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων, ενώ στο Φυσικό Επίπεδο η επεξεργασία τους γίνεται θεωρώντας τα ως «ακατέργαστη» ακολουθία bits». Όπως θα δούµε σε επόµενο κεφάλαιο του βιβλίου, τα κελιά είναι πακέτα σταθερού µήκους και, συνήθως, µικρού µεγέθους. Κατά συνέπεια, σωστή είναι και η φράση «… σε κελιά στο Επίπεδο ∆ικτύου…». 3.1 Καθώς το πρωτόκολλο πλαισίωσης οργανώνεται ανά byte, είναι απαραίτητη η προσυµφωνηµένη θεώρηση µιας κωδικοσειράς πριν από τη χρήση του (π.χ. ASCII ή EBCDIC). Έτσι, συµβουλευόµενοι τους πίνακες κωδικοσειρών (π.χ., βλέπε το βιβλίο των Αλεξόπουλου και Λαγογιάννη, σελ. 42), µπορούµε εύκολα να σχηµατίσουµε τον ακόλουθο πίνακα:

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

195

ακολουθία bits Χαρακτήρας Ελέγχου

ASCII b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1

EBCDIC b8 b7 b6 b5 b4 b3 b2 b1

SYN. Χαρακτήρας συγχρονισµού, που χρησιµοποιείται για να δηλώσει την αρχή του πλαισίου.

0 0 1 0 1 1 0

0 0 1 1 0 0 1 0

SOH (Start of header). ∆ηλώνει την αρχή της επικεφαλίδας του πλαισίου.

0 0 0 0 0 0 1

0 0 0 0 0 0 0 1

STX (Start of Text). ∆ηλώνει την αρχή των δεδοµένων και ταυτόχρονα το τέλος της επικεφαλίδας του πλαισίου.

0 0 0 0 0 1 0

0 0 0 0 0 0 1 0

ETX (End of Text). ∆ηλώνει το τέλος των δεδοµένων του πλαισίου.

0 0 0 0 0 1 1

0 0 0 0 0 0 1 1

DLE (Data Link Escape). ∆ηλώνει µεταβολή της σηµασίας του χαρακτήρα που ακολουθεί. π.χ. εάν µετά τον DLE ακολουθεί ο χαρακτήρας «a», τότε το ζευγάρι χαρακτήρων «DLE – a» εκλαµβάνεται ως ένας ειδικός χαρακτήρας ελέγχου.

0 0 1 0 0 0 0

0 0 0 1 0 0 0 0

Εάν δεν απαντήσατε σωστά, µην απογοητεύεστε… Αυτή ήταν µια πονηρή ερώτηση. 3.2 Με απευθείας εφαρµογή της τεχνικής προσθήκης bit προκύπτει η παρακάτω ακολουθία: 0 111111 0

0 11 0 1 0 11111 0 1111 0 1111 0 0 0 11 0 1 0 11111 0 11 0 11 0

έναρξη πλαισίου επιπρόσθετα bits

0 111111 0

τερµατισµός‚ πλαισίου

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

196

3.3 Ο παραλήπτης κόµβος εντοπίζει την έναρξη του πλαισίου και στη συνέχεια παρατηρεί τα εισερχόµενα bits. Μόλις καταφθάσουν πέντε συνεχόµενα 1 (δηλαδή η εισερχόµενη ακολουθία είναι η 011111), τότε η διεργασία παρατήρησης των εισερχόµενων bits µεταπηδά σε µια κατάσταση ετοιµότητας, όπου καλείται να λάβει αποφάσεις (βλέπε Σχήµα 3.10). Εάν το επόµενο bit είναι 0, τότε αυτό θα πρέπει να έχει προστεθεί από τον αποστολέα κατά την εφαρµογή της τεχνικής προσθήκης bit, οπότε αποµάκρυνέ το και συνέχισε από την αρχή τη διαδικασία παρατήρησης των εισερχόµενων bits. Εάν το επόµενο bit είναι 1, τότε δεν µπορεί να ληφθεί καµία απόφαση πριν εξετάσουµε το µεθεπόµενο bit. Εάν αυτό είναι 0, τότε έχουµε λάβει την ειδική ακολουθία που δηλώνει το τέλος του πλαισίου. Εάν όµως είναι 1, τότε έχουµε εντοπίσει κάποιο σφάλµα µεταφοράς και θα πρέπει να απορρίψουµε το πλαίσιο. Αν απαντήσατε σωστά σε αυτή την άσκηση, τότε µπράβο σας! Αν όχι, τότε θα πρέπει να µελετήσετε ξανά την ενδεικτική απάντηση της ∆ραστηριότητας 3.1 και την Υποενότητα 3.1.2 και να την επαναλάβετε – είµαι σίγουρος ότι την επόµενη φορά θα τα καταφέρετε. Πρόσθετο bit:‚ αποµάκρυνέ το!

™¯‹Ì· 3.10

Σχηµατική αναπαράσταση της διαδικασίας παρατήρησης των εισερχόµενων bits στον παραλήπτη κόµβο όταν εφαρµόζεται η πλαισίωση HDLC

0111110 0 Tέλος πλαισίου!

011111 0

1

01111110

0111111

Σφάλµα:‚ απόρριψε το πλαίσιο!

1 01111111

3.4 Η µορφή του πλαισίου STS – 3 είναι παρόµοια µε αυτή του πλαισίου STM – 1 που παρουσιάζεται στο Σχήµα 3.4. Καθώς µπορούµε να θεωρήσουµε ότι το πλαίσιο STS – 3 δηµιουργείται από την οµοιόµορφη παρεµβολή τριών πλαισίων STS – 1, είναι εύκολο να διαπιστώσουµε ότι το πλαίσιο STS – 1 αποτελείται από 9 γραµµές των 90 bytes. Σε κάθε γραµµή τα πρώτα 3 bytes αποτελούν την επιβάρυνση του πρωτοκόλλου και περιέχουν τις ανα-

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

197

γκαίες πληροφορίες ελέγχου, ενώ τα υπόλοιπα 87 bytes αποτελούν το ωφέλιµο φορτίο του πλαισίου. Η ειδική ακολουθία bits που υποδηλώνει την αρχή του πλαισίου περιέχεται στα πρώτα 2 bytes του. Το τέλος του πλαισίου θα βρίσκεται σε απόσταση ίση µε 810 bytes από την αρχή του. Η απάντηση αυτής της άσκησης είναι ουσιαστικά µια άµεση προσαρµογή της πληροφορίας που παρουσιάζεται στην Υποενότητα 3.1.3. Αν δε δώσατε τη σωστή απάντηση, τότε θα πρότεινα να ξαναδιαβάσετε αυτή την ενότητα πριν προχωρήσετε στις επόµενες. 3.5 (α)Άµα εφαρµόσουµε τον τρόπο υπολογισµού του Σχήµατος 3.6 για την εύρεση του υπολοίπου της διαίρεσης του 1101001101001111010100000000 µε το 100000111, θα διαπιστώσουµε ότι το υπόλοιπο της διαίρεσης είναι το 11111001. Συνεπώς, το µήνυµα που θα αποστείλουµε στο δίκτυο θα είναι το 1101001101001111010111111001. (β) Αντίστοιχα, για το εισερχόµενο µήνυµα 1000001101101111010111111001 το υπόλοιπο θα είναι 11101010. Και επειδή η τιµή του είναι µη µηδενική, ο παραλήπτης θα καταλήξει στο συµπέρασµα ότι υπήρξε σφάλµα κατά τη µεταφορά των δεδοµένων. Αν δώσατε τις παραπάνω απαντήσεις, τότε συγχαρητήρια! Αν όχι, µην απογοητεύεστε. Θα πρέπει να διαβάσετε πάλι την Υποενότητα 3.2.1, και ειδικότερα το Παράδειγµα 3.1, και να ξαναπροσπαθήσετε. 3.6 (α)Από τα 26 = 64 στοιχεία του διανυσµατικού χώρου των 6 – άδων έγκυρες κωδικές λέξεις αποτελούν µόνο τα 23 = 8 από αυτά. Για τα δεδοµένα της άσκησης, η εξίσωση (3.2) γράφεται ως c4 = d1 ≈ d2 c5 = d2 ≈ d 3

(3.5)

c6 = d1 ≈ d 3 Εφαρµόζοντας τις εξισώσεις (3.1) και (3.5), λαµβάνουµε το ζητούµενο κώδικα

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

198

(6, 3), ο οποίος απεικονίζεται στον ακόλουθο πίνακα: αρχική ακολουθία bits

κωδική λέξη

βάρος λέξης

D1

000

C1

000000

D2

001

C2

001011

3

D3

010

C3

010110

3

D4

011

C4

011101

4

D5

100

C5

100101

3

D6

101

C6

101110

4

D7

110

C7

110011

4

D8

111

C8

111000

3

(β) Το ελάχιστο από τα βάρη των µη µηδενικών λέξεων είναι ίσο µε 3. Συνεπώς, η ελάµένων bit που µπορεί να διορθώσει ο κώδικας ισούται µε e(dmin – 1)/2u = e(3 – 1)/2u

χιστη απόσταση Hamming του κώδικα είναι dmin = 3. Έτσι, το πλήθος των εσφαλ= 1. Αντίστοιχα, µπορεί να ανιχνεύσει σφάλµατα µεταφοράς σε dmin – 1 = 2 bits. (γ) Μια Τυπική ∆ιάταξη του κώδικα δίνεται στον ακόλουθο πίνακα: 000000

001011

010110

011101

100101

101110

110011

111000

100000

101011

110110

111101

000101

001110

010011

011000

010000

011011

000110

001101

110101

111110

100011

101000

001000

000011

011110

010101

101101

100110

111011

110000

000100

001111

010010

011001

100001

101010

110111

111100

000010

001001

010100

011111

100111

101100

110001

111010

000001

001010

010111

011100

100100

101111

110010

111001

001100

000111

011010

010001

101001

100010

111111

110100

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

Στην κατάστρωση της τελευταίας γραµµής έχουµε να επιλέξουµε ως οδηγό ένα από τα διανύσµατα 001100, 010001 και 100010. Εµείς τυχαία επιλέξαµε το πρώτο. Εξίσου σωστή είναι η απάντηση εάν έχετε επιλέξει το δεύτερο ή το τρίτο διάνυσµα. (δ) Συµβουλευόµενοι τον Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης που καταστρώσαµε στο ερώτηµα (γ), το αποτέλεσµα της αποκωδικοποίησης θα µας δώσει, αντίστοιχα, τις αρχικές λέξεις D3, D1, D7, D5 και D7. Στην τελευταία ακολουθία ο αποκωδικοποιητής διόρθωσε δύο σφάλµατα ταυτόχρονα, γι’ αυτό και το αποτέλεσµα θα γίνει αποδεκτό µόνο εάν δεν υλοποιούµε συντηρητική πολιτική διόρθωσης σφαλµάτων. Εδώ αξίζει να αναφερθεί ότι, αν κάποιος έχει επιλέξει ως Ε8 το 010001, η αποκωδικοποίηση θα µας δώσει τη λέξη D6, ενώ µε Ε8 το 100010 τη λέξη D4, πράγµα που δείχνει ότι η τεχνική αυτή δεν µπορεί στη συγκεκριµένη περίπτωση να διορθώσει δύο ταυτόχρονα λάθη. Αν απαντήσατε σωστά στα παραπάνω ερωτήµατα, τότε µπράβο σας!!! Αν όχι, µην απογοητεύεστε. Μελετήστε πάλι την Ενότητα 3.3, και ειδικότερα το Παράδειγµα 3.6, και προσπαθήστε ξανά µε ηρεµία και καθαρό µυαλό… 4.1 Αληθής είναι µόνο η πρόταση (α). Τα ACKs είναι πλήρη πλαίσια, σύµφωνα µε τη µορφή του πρωτοκόλλου του Επιπέδου Σύνδεσης ∆εδοµένων που υλοποιείται, µε τη µόνη διαφορά ότι το πεδίο δεδοµένων τους είναι κενό. Περιέχουν δηλαδή και επικεφαλίδα και πεδία CRC, τα οποία άλλωστε είναι απαραίτητα για να µπορεί ο αποστολέας να ελέγξει την ορθότητά τους. Σχετικά µε την πρόταση (β), όταν η επικοινωνία σ’ ένα σύνδεσµο είναι µονόδροµη (simplex), δηλαδή τα δεδοµένα µεταδίδονται προς µία µόνο κατεύθυνση, τότε δεν µπορεί να υλοποιηθεί το σχήµα της επιβεβαίωσης λήψης και κατ’ επέκταση ούτε κάποιο πρωτόκολλο επανεκποµπής. Αυτό επιτυγχάνεται όταν, η επικοινωνία µεταξύ αποστολέα και παραλήπτη είναι αµφίδροµη (duplex) ή εναλλακτικά αµφίδροµη (half duplex), δηλαδή όταν τα δεδοµένα µπορούν να µεταδίδονται και προς τις δύο κατευθύνσεις ταυτόχρονα ή µη ταυτόχρονα αντίστοιχα. Εκτός της αλλοίωσης των περιεχοµένων του κατά τη µεταφορά, µία άλλη πιθανή αιτία «απώλειας» πακέτου είναι η υπερχείλιση του προσωρινού ενταµιευτή του συνδέσµου λόγω υπερβάλλουσας εισερχόµενης κυκλοφορίας. Τέλος, τα τρία γεγονότα της πρότασης (δ) είναι σωστά. Αυτό που είναι λάθος είναι η φράση «ανακαλεί από το Επίπεδο ∆ικτύου το επόµενο πακέτο». Και αυτό γιατί ο αποστολέας διατηρεί στην προσωρινή µνήµη του ένα αντίγραφο του πλαισίου που

199

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

200

µετέδωσε µέχρις ότου λάβει την ορθή επιβεβαίωσή του. Τότε µόνο ανακαλεί το επόµενο πακέτο. Αν επιλέξατε τις αληθείς προτάσεις σύµφωνα µε τα παραπάνω, τότε είµαστε σε καλό δρόµο. Αν όχι, θα σας πρότεινα να µελετήσετε ξανά την Ενότητα 4.1 για να αποσαφηνίσετε τις βασικές αρχές των πρωτοκόλλων επανεκποµπής πριν προχωρήσετε στην ανάγνωση της λειτουργικής περιγραφής τους. 4.2 Όταν η απόσταση µεταξύ του αποστολέα και παραλήπτη αυξηθεί στα 1000 Km, η απόδοση του ABP θα είναι

¢ hABP

2.048 0, 03125 65.536 = = ª 55% 2.048 1.024 1.000 0, 056875 + +2¥ 65.536 65.536 2 ¥ 105

Επίσης, όταν ο ρυθµός µετάδοσης αυξηθεί στα 2 Mbps, η νέα απόδοση θα είναι

¢¢ hABP

2.048 0, 0009765 2.097.152 = = ª 40% 2.048 1.024 100 0, 0024647 + +2¥ 2.097.152 2.097.152 2 ¥ 105

Παρατηρούµε ότι και στις δύο περιπτώσεις έχουµε περαιτέρω απώλεια στην απόδοση του πρωτοκόλλου ABP. Εδώ θα πρέπει να εισαγάγουµε ένα νέο όρο: το γινόµενο του ρυθµού µετάδοσης επί του χρόνου µετάβασης µετ’ επιστροφής (Round Trip Time – RTT), το οποίο προσδιορίζει την ποσότητα των δεδοµένων που µπορεί κάθε χρονική στιγµή να διασχίζει το κανάλι (δηλαδή, να βρίσκεται «µέσα» σ’ αυτό). Όσο πιο κοντά σ’ αυτό το γινόµενο είναι το µέγεθος των δεδοµένων που µεταδίδουµε στο δίκτυο, τόσο µεγαλύτερη είναι και η απόδοση του εφαρµοζόµενου πρωτοκόλλου. Έτσι λοιπόν, αν φανταστούµε το κανάλι επικοινωνίας σαν ένα σωλήνα και τα δεδοµένα σαν νερό, τότε για να επιτύχουµε καλή απόδοση θα πρέπει να είµαστε σε θέση να «κρατήσουµε το σωλήνα όσο πιο γεµάτο µπορούµε». Αυτή η µέθοδος είναι γνωστή ως συνεχής διοχέτευση (pipelining). Με το πρωτόκολλο ABP, όπου µεταδίδεται µόνο ένα πλαίσιο δεδοµένων πριν τη λήψη επιβεβαίωσης, η συνεχής διοχέτευση δεν µπορεί να επιτευχθεί. Η λύση όµως είναι να επιτρέψουµε στον αποστολέα να µεταδίδει περισσότερα του ενός πλαίσια πριν λάβει την πρώτη επιβεβαίωση. Αυτό ακριβώς κάνουν τα πρωτόκολλα επανεκποµπής που παρουσιάζονται στις Ενότητες 4.3 και 4.4.

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

201

4.3 Εάν XAB είναι ο τυχαίος χρόνος που απαιτείται για µία ολοκληρωµένη µεταβίβαση πλαισίου από τον κόµβο Α στον κόµβο Β, σύµφωνη µε τους κανόνες επανεκποµπής του πρωτοκόλλου ABP, και XBΓ είναι ο αντίστοιχος τυχαίος χρόνος για το σύνδεσµο ΒΓ, τότε από τη σχέση (4.3) έχουµε E[ X AB ] = S AB + TAB

1 - pAB pAB

(4.13)

E[XBΓ] = SBΓ

(4.14)

όπου η σχέση (4.14) προκύπτει γιατί δεν υπάρχουν σφάλµατα µεταφοράς στο σύνδεσµο ΒΓ. Από τα δεδοµένα της άσκησης γνωρίζουµε ότι ο χρόνος προθεσµίας TAB είναι ίσος µε το χρόνο µετάβασης µετ’ επιστροφής στο σύνδεσµο ΑΒ, δηλαδή TAB =

2 Km + 2 Km = 13, 3 µsec 3 ¥ 105 Km / s

(4.15)

Έτσι, συνδυάζοντας τις σχέσεις (4.13), (4.1) και (4.15) έχουµε E[ X AB ] = TRANSPAB + TRANSAAB + 2 ¥ PROPAB + TAB =

1 - pAB = pAB

1 0, 25 2 1 - 0, 9 + +2¥ + 13, 3 ¥ 10 -6 ª 9, 78 msec 5 128 128 0, 9 3 ¥ 10

ενώ από τις σχέσεις (4.14) και (4.1) έχουµε E[ X BG ] = TRANSPBG + TRANSABG + 2 ¥ PROPBG = 1 0, 25 100 = + +2¥ ª 1,12 msec 10 ¥ 1024 10 ¥ 1024 2 ¥ 105 Αν συµβολίσουµε µε XAΓ τον τυχαίο χρόνο που µεσολαβεί µεταξύ δύο διαδοχικών µεταδόσεων πακέτων στο κανάλι επικοινωνίας ΑΓ, τότε ένα πολύ συχνό λάθος είναι να θεωρήσουµε ότι ισούται µε το άθροισµα των δύο επιµέρους χρόνων XAB και XBΓ. Και είναι λάθος, γιατί αυτό θα σήµαινε ότι η µετάδοση νέων πλαισίων στο σύνδεσµο ΑΒ εξαρτάται από τα τεκταινόµενα στο σύνδεσµο ΒΓ και συγκεκριµένα από το πότε θα φτάσει η επιβεβαίωση λήψης του κόµβου Γ στον κόµβο Β. Επειδή όµως οι µεταδόσεις πλαισίων ανά σύνδεσµο είναι ανεξάρτητες µεταξύ τους και ο χρόνος XBΓ είναι σταθερός και σηµαντικά µικρότερος του µέσου χρόνου E[XAB], όταν µεταφέρεται ένα πακέτο διαµέσου του συνδέσµου ΑΒ, ταυτόχρονα

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

202

αναµένουµε να µεταφέρεται και το προηγούµενό του στο σύνδεσµο ΒΓ. Οπότε, αν έχουµε να µεταβιβάσουµε K πλαίσια δεδοµένων από τον κόµβο Α στον κόµβο Γ, ο χρόνος εκποµπής από τον κόµβο Β στον κόµβο Γ, επικαλύπτεται από την εκποµπή από τον κόµβο Α στον κόµβο Β του επόµενου πλαισίου, εκτός αν πρόκειται για το τελευταίο πλαίσιο. Άρα, ο µέσος συνολικός χρόνος που θα απαιτηθεί γι’ αυτή τη µεταβίβαση είναι ίσος µε KE[XAB] + SBΓ και, κατά συνέπεια, η διαµετακοµιστική ικανότητα τAΓ του καναλιού επικοινωνίας ΑΓ είναι t AΓ =

KP KE[ X AB ] + SBΓ

όπου P είναι το µέγεθος του πλαισίου δεδοµένων. Για µεγάλες τιµές του K, ισχύει ότι KE [XAB] >> SBΓ, οπότε t AΓ ª

KP P = = t AB = 102 , 25 Kbps KE[ X AB ] E[ X AB ]

(4.16)

∆ηλαδή παρατηρούµε ότι ο πιο αργός σύνδεσµος ΑΒ επηρεάζει σε κυρίαρχο βαθµό τη συνολική απόδοση του καναλιού επικοινωνίας, ενώ παραµένει αναξιοποίητη η επιµέρους υψηλή απόδοση του συνδέσµου ΒΓ – κάτι που άλλωστε περιµέναµε γενικότερα να ισχύει. Αυτός ο αργός σύνδεσµος αναφέρεται συχνά στη βιβλιογραφία ως ο περιοριστικός σύνδεσµος (στενωπός, bottleneck) του δικτύου. Γενικότερα, ισχύει ότι ο ρυθµός µετάδοσης σε pipeline, καθορίζεται από το ρυθµό του πιο αργού σταδίου εξυπηρέτησης (bottleneck). Αν επιλύσατε σωστά αυτήν την άσκηση αυτοαξιολόγησης, τότε σας αξίζουν συγχαρητήρια! Αν όχι, µην απογοητεύεστε. Μελετήστε προσεκτικά την Ενότητα 4.2 και προσπαθήστε ξανά να επιλύσετε την άσκηση – θα διαπιστώσετε και µόνοι σας ότι τα πράγµατα δεν είναι τόσο δύσκολα όσο αρχικά φαινόταν… 4.4 Στα σχήµατα 4.15.α και 4.15.β παρουσιάζονται οι ακολουθίες γεγονότων κατά τη µετάδοση πλαισίων όταν εφαρµόζεται το πρωτόκολλο GBN και το GBN µε αρνητικές επιβεβαιώσεις αντίστοιχα. Παρατηρούµε ότι η αρνητική επιβεβαίωση πυροδοτεί την επαναµετάδοση ενός πλαισίου πριν την εκπνοή του χρόνου προθεσµίας του, γεγονός που έχει σαν συνέπεια το βελτιωµένο χρόνο παράδοσης των πλαισίων στον προορισµό τους.

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

203

4.5 Στο σενάριο του σχήµατος 4.13 δεν τηρείται ο κανόνας 3 του πρωτοκόλλου SRP. Συγκεκριµένα, τη χρονική στιγµή όπου ο αποστολέας µεταδίδει το πλαίσιο 5, έχει επιβεβαιωθεί η ορθή λήψη µόνο των πλαισίων 0 και 3. Κατά συνέπεια, σύµφωνα µε τον κανόνα 3, ο αποστολέας επιτρέπεται να µεταδώσει µόνο τα πλαίσια µε αριθµό από 0 + 1 = 1 έως 0 + 4 = 4, και όχι το 5. Εφόσον το µέγεθος του ενταµιευτή του παραλήπτη είναι ίσο µε το µέγεθος 4 πλαισίων, είναι εύκολο να δείξετε ότι η καταστρατήγηση του κανόνα 3 οδηγεί σε απόρριψη πλαισίων, τα οποία θα έφταναν χωρίς σφάλµατα στον παραλήπτη, αλλά θα ήταν εκτός σειράς και δε θα υπήρχε διαθέσιµος χώρος να αποθηκευτούν προσωρινά. Για παράδειγµα, εξετάσετε την περίπτωση όπου το πλαίσιο 1 χάνεται και κατά τη δεύτερη επανεκποµπή του. προθεσµία A

0 1 2 3 4

5 6

2 3 4 5

Π παράδοση απόρριψη

απόρριψη

παράδοση

(α) GBN µε µέγεθος παραθύρου 5

προθεσµία 0 1 2 3 4

5 6

2 3 4 5

NA

CK –

2

A

Π παράδοση απόρριψη

απόρριψη παράδοση

(β) GBN µε αρνητικές επιβεβαιώσεις και µέγεθος παραθύρου 5

Στο σχήµα 4.16 απεικονίζεται µία ακολουθία µεταδόσεων πλαισίων, η οποία είναι συµβατή µε το πρωτόκολλο SRP. Για κάθε χρονική στιγµή που ο αποστολέας είναι έτοιµος να µεταδώσει ένα πλαίσιο, απεικονίζονται επίσης το σύνολο των επιβεβαιώσεων που έχουν ληφθεί από τον αποστολέα και η αντίστοιχη τιµή L του κανόνα 3. Έτσι, βλέπουµε ότι τις χρονικές στιγµές t1 και t2, ο αποστολέας συγκρατείται και δε µεταδίδει πλαίσια στο δίκτυο, θέλοντας να προφυλάξει έτσι τον παραλήπτη από πιθα-

™¯‹Ì· 4.15

Η ακολουθία µεταδόσεων πλαισίων όταν εφαρµόζεται (α) το GBN και (β) το GBN µε αρνητικές επιβεβαιώσεις για την άσκηση αυτοαξιολόγησης 4.4.

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

204

νή υπερχείλιση του ενταµιευτή του. Αν δεν µπορέσατε να εντοπίσετε το λάθος στο σενάριο µεταδόσεων της άσκησης, τότε θα πρότεινα να µελετήσετε για µια ακόµα φορά την Ενότητα 4.4 για να κατανοήσετε πλήρως τον τρόπο λειτουργίας του πρωτοκόλλου επιλεκτικής επανάληψης. Πάντως, το λάθος αυτό είναι πολύ συχνό και δεν πρέπει να σας αποθαρρύνει. {0,1,2,3,4} {0,1,3,4}

επιβεβαιώσεις‚ που έχουν ληφθεί:

{0}

L:

0

{0,3}

{0,3,4}

0

0 1 4

προθεσµία προθεσµία A

0 1 2 3

4 1 2

t2

t1

5 6 7 8

9 10 11 12

Π ™¯‹Ì· 4.16

Μία ακολουθία µεταδόσεων πλαισίων συµβατή µε το πρωτόκολλο επιλεκτικής επανάληψης, για την άσκηση αυτοαξιολόγησης 4.5.

0

παράδοση

3 2 2

1 4 4 3 3 2 2 παράδοση‚ (µε τη σωστή σειρά)

απόρριψη

5 6 7 8 παράδοση‚ ‚

4.6 Σωστό

Λάθος

" ❏

❏

Ο παραλήπτης κόµβος πρέπει να παραδώσει τα πακέτα στο Επίπεδο ∆ικτύου µε την ίδια σειρά µε την οποία αυτά δόθηκαν στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων του αποστολέα. Αυτή είναι µία βασική απαίτηση, σύµφωνη µε το σκεπτικό της διαστρωµάτωσης που αναπτύξαµε στο Κεφάλαιο 2. Και στα τρία πρωτόκολλα (ABP, GBN και SRP), ο αποστολέας πρέπει να είναι εξοπλισµένος µ’ έναν

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

205

ενταµιευτή. Το ίδιο ισχύει και για τον παραλήπτη, αλλά µόνο στο πρωτόκολλο GBN. Η πρώτη πρόταση είναι σωστή, καθώς ο αποστολέας πρέπει να διατηρεί αντίγραφα των ανεπιβεβαίωτων πλαισίων. Η δεύτερη πρόταση όµως είναι λανθασµένη, καθώς µόνο στο πρωτόκολλο SRP απαιτείται η ύπαρξη ενταµιευτή στον παραλήπτη.

❏

" ❏

" ❏

❏

❏

" ❏

❏

" ❏

" ❏

❏

Ο συνδυασµός µικρού µεγέθους πλαισίου, υψηλού ρυθµού µετάδοσης και µεγάλου χρόνου διάδοσης είναι καταστροφικός όσον αφορά την αποδοτικότητα ενός πρωτοκόλλου ABP. Είναι πράγµατι καταστροφικός, όπως εύκολα προκύπτει από τη σχέση (4.2). Όταν η πιθανότητα εµφάνισης σφαλµάτων µεταφοράς είναι υψηλή, τότε είναι προτιµητέο να χρησιµοποιήσουµε το πρωτόκολλο GBN έναντι του SRP για την επανεκποµπή πακέτων. Το πρωτόκολλο GBN «σπαταλά» το διαθέσιµο εύρος ζώνης του συνδέσµου επεναµεταδίδοντας, όχι µόνο το ανεπιβεβαίωτο πλαίσιο, αλλά και όλα τα πλαίσια που µεταδόθηκαν µετά από αυτό – άσχετα αν έχουν παραδοθεί χωρίς σφάλµατα στον παραλήπτη και έχει ήδη επιβεβαιωθεί η λήψη τους. Τα πρωτόκολλα συνεχούς διοχέτευσης εµφανίζουν χαµηλότερη απόδοση σε σχέση µε τα πρωτόκολλα παύσης και αναµονής. Ως πρωτόκολλα συνεχούς διοχέτευσης χαρακτηρίζονται εκείνα τα πρωτόκολλα ολισθαίνοντος παραθύρου, οι παράµετροι των οποίων έχουν επιλεγεί έτσι ώστε να µεταδίδουν συνεχώς πλαίσια στο δίκτυο µέχρι τη λήψη της πρώτης επιβεβαίωσης. Και η απόδοσή τους είναι σαφώς ανώτερη από τα πρωτόκολλα τα οποία αποστέλλουν ένα πλαίσιο και µετά αναµένουν την επιβεβαίωσή του για να προχωρήσουν στη µετάδοση του επόµενου πλαισίου. Στα πρωτόκολλα ολισθαίνοντος παραθύρου, το (n + W) – οστό πακέτο δεν µπορεί να µεταδοθεί, εάν το n – οστό πακέτο δεν έχει επιβεβαιωθεί, όπου W είναι το µέγεθος του παραθύρου. Αυτή είναι µία βασική ιδιότητα των πρωτοκόλλων GBN και SRP.

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

206

5.1 Ας παρατηρήσουµε το δίκτυο του σχήµατος 5.19, όπου κάθε κόµβος συνδέεται µε το συγκεντρωτή µε έναν αµφίδροµο σύνδεσµο. Εάν η βασική λειτουργία αυτού του ειδικού συγκεντρωτή είναι να «γεφυρώσει» τους συνδέσµους µε τέτοιο τρόπο, έτσι ώστε να είναι εφικτή η διάδοση των πλαισίων µόνο προς την επιθυµητή κατεύθυνση του δακτυλίου, τότε επιτυγχάνουµε να οργανώσουµε το δίκτυό µας µε τη λογική διάταξη του δακτυλίου και µε τη φυσική τοπολογία του αστέρα.

A

∆

B

συγκεντρωτής

™¯‹Ì· 5.19

Ένα παράδειγµα δικτύου όπου τέσσερις κόµβοι, συνδεδεµένοι διαµέσου ενός συγκεντρωτή, υλοποιούν τη λογική τοπολογία του δακτυλίου.

Γ

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

207

5.2 Σωστό

Λάθος

❏

" ❏

" ❏

❏

Οι συγκρούσεις οδηγούν σε αύξηση του χρόνου αναµονής των κόµβων. Έτσι, παρόλο που υπάρχουν δεδοµένα προς µετάδοση, το δίκτυο παραµένει αδρανές λόγω της υποχώρησης " που επέλεξαν οι συγκρουόµενοι κόµβοι. ❏

❏

Ο χρόνος µεταφοράς ενός πλαισίου µεταξύ δύο κόµβων σ’ ένα τοπικό δίκτυο είναι το άθροισµα των αντίστοιχων χρόνων µετάδοσης και διάδοσης. Στο άθροισµα αυτό θα πρέπει να προστεθεί και ο χρόνος που ο αποστολέας κόµβος περιµένει µέχρις ότου αποκτήσει προσπέλαση στο φυσικό µέσο. Στην τοπολογία του αστέρα, η αστοχία ενός κόµβου δεν επηρεάζει τη λειτουργία του δικτύου. Πράγµατι, εάν στην τοπολογία αστέρα ένας κόµβος πάψει να λειτουργεί, αυτό δεν επηρεάζει καθόλου τη λειτουργία των υπολοίπων κόµβων του δικτύου. Μόνο, εάν αστοχήσει ο συγκεντρωτής, παύει να υφίσταται δίκτυο στον αστέρα. Οι συγκρούσεις επηρεάζουν αρνητικά την απόδοση ενός δικτύου CSMA/CD.

Σε καταστάσεις υψηλού φόρτου, η απόδοση ενός δικτύου CSMA/CD είναι ανάλογη του πλήθους των διασυνδεδεµένων κόµβων. Όσο περισσότεροι είναι οι διασυνδεδεµένοι κόµβοι, τόσο περισσότερες είναι οι συγκρούσεις των µεταδιδόµενων πλαισίων. Συνέπεια των αυξηµένων συγκρούσεων είναι η µείωση της απόδοσης του δικτύου. Στα δίκτυα CSMA/CA, όταν ένας κόµβος διαπιστώσει ότι το κανάλι δεν είναι αδρανές, τότε αναβάλλει τη µετάδοση των δεδοµένων του για χρόνο τουλάχιστον ίσο µε το άθροισµα του χρόνου µετάδοσης ενός πλαισίου συν τον τυχαίο χρόνο υποχώρησης που επέλεξε. Ο κόµβος που ανέβαλε την εκποµπή του θα πρέπει να περιµένει

❏

" ❏

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

208

πρώτα να ολοκληρωθεί η µετάδοση του πλαισίου που βρίσκεται σε εξέλιξη και η λήψη της αντίστοιχης επιβεβαίωσης, πριν ξεκινήσει να µειώνει το χρόνο στον απαριθµητή υποχώρησης.

❏

" ❏

Αυτό πηγάζει απευθείας από τον τρόπο λειτουργίας της καθολικής εκποµπής. Για παράδειγµα, σκεφτείτε ένα τοπικό δίκτυο µε 1000 κόµβους. Στην καθολική εκποµπή στέλνεται ένα µόνο πλαίσιο, ενώ στην περίπτωση unicasting θα χρειαζόµασταν 999 " µεταδόσεις πλαισίων. ❏

❏

Η καθολική εκποµπή χρησιµοποιεί καλύτερα τους πόρους ενός τοπικού δικτύου σε σχέση µε τη µαζική µετάδοση αντιγράφων του πλαισίου από τον αποστολέα προς όλους τους κόµβους του δικτύου µεµονωµένα.

Αν δώσατε τις παραπάνω απαντήσεις και ανάλογες αιτιολογήσεις, τότε είµαστε σε πολύ καλό δρόµο… Αν όχι, θα πρότεινα να διαβάσετε µία ακόµα φορά την Ενότητα 5.1 για να κατανοήσετε σε βάθος τα ζητήµατα της αρχιτεκτονικής τοπικών δικτύων που διαπραγµατεύεται. 5.3 Εάν συµβολίσουµε µε P το µέγεθος του πλαισίου, µε R το ρυθµό µετάδοσης πλαισίων στο δίκτυο, µε d το µέγιστο, από άκρο σε άκρο, µήκος του τοπικού δικτύου και µε δ την ταχύτητα διάδοσης του σήµατος στο φυσικό µέσο, τότε η σχέση (5.1), που περιγράφει την απόδοση ηCSMA.CD του πρωτοκόλλου CSMA/CD, υπό καταστάσεις υψηλού φόρτου του δικτύου, µπορεί να γραφεί και ως hCSMA.CD =

1 d

1+ 5 d P R

=

1 d¥R 1+ 5 d ¥P

(5.4)

(α)Εάν αυξηθεί η µεταβλητή d, τότε ο παρανοµαστής της έκφρασης (5.4) αυξάνεται και, κατά συνέπεια, η απόδοση ηCSMA.CD µειώνεται. (β) Αντίστοιχα µειώνεται η απόδοση ηCSMA.CD και στην περίπτωση που αυξηθεί ο ρυθµός µετάδοσης πλαισίων R στο δίκτυο. (γ) Στην περίπτωση που αυξηθεί το µέγεθος πλαισίου P, ο παρανοµαστής της (5.4) µειώνεται, αυξάνοντας έτσι την απόδοση ηCSMA.CD.

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

5.4 (α)Το συνολικό µήκος ενός βασικού πλαισίου IEEE 802.3 κυµαίνεται µεταξύ _72_ και _1526_ bytes. Στην περίπτωση όπου το δίκτυο υποστηρίζει το µηχανισµό για ιδεατά τοπικά δίκτυα, το πλαίσιο επεκτείνεται κατά 4 bytes, δηλαδή το µήκος του κυµαίνεται µεταξύ _76_ και _1530_ bytes. (β) Έστω ότι το επίπεδο MAC λαµβάνει προς µετάδοση 3 πακέτα από το επίπεδο LLC. Εάν τα µήκη των πακέτων είναι ίσα µε 96, 32 και 1500 bytes, τότε το πεδίο πλήρωσης στα προκύπτοντα πλαίσια MAC θα έχει µήκος ίσο µε _0_, _14_ και _0_ bytes αντίστοιχα. (γ) Έστω ότι ένα δίκτυο 10Base – T αποτελείται από δύο κόµβους και το µήκος του πλαισίου είναι ίσο µε 800 bits. Αν υποθέσουµε ότι δεν υπάρχει καµία άλλη µορφή επικοινωνίας µεταξύ κόµβων, τότε µπορούµε να υπολογίσουµε ότι ο χρόνος που απαιτείται για τη µεταφορά ενός αρχείου 10 GB από τον ένα κόµβο στον άλλο είναι ίσος µε _11.070_ δευτερόλεπτα. Ένα συχνό λάθος που γίνεται σ’ αυτήν την ερώτηση, είναι ότι για τον υπολογισµό της απόδοσης του πρωτοκόλλου ελέγχου προσπέλασης χρησιµοποιείται η σχέση (5.1). Αυτή η σχέση είναι ενεργή, µόνο στις περιπτώσεις υψηλού φόρτου του δικτύου. Στο δίκτυο που εξετάζουµε υπάρχουν µόνο δύο κόµβοι και µάλιστα υποθέσαµε ότι ο ένας κόµβος αποστέλλει το αρχείο και ο άλλος απλώς το δέχεται, χωρίς καµία άλλη µορφή επικοινωνίας µεταξύ τους. Έτσι, ο πρώτος κόµβος θα έχει τη δυνατότητα αποκλειστικής προσπέλασης στο φυσικό µέσο µετάδοσης καθόλη τη διάρκεια µεταφοράς του αρχείου, δηλαδή η απόδοση ηCSMA.CD θα είναι 100%. Επειδή η επιβάρυνση από την πλαισίωση του 802.3 είναι ίση µε 208 bits, τα δεδοµένα θα µεταδίδονται µε ρυθµό (800 – 208 / 800) ¥ 10 Mbps = 7,4 Mbps και ο απαιτούµενος χρόνος για τη µετάδοση του αρχείου θα είναι 10 GB / 7,4 Mbps = 11.070 sec ≈ 3 ώρες. (δ) Έστω το εκτεταµένο τοπικό δίκτυο του σχήµατος 5.8. Εάν όλοι οι κόµβοι είναι συστήµατα MS – Windows και ο χρήστης που είναι συνδεδεµένος στη θύρα 2 του µεταγωγέα Β επιλέξει να δει την Περιοχή ∆ικτύου (Network Neighborhood), τότε θα διαπιστώσει ότι αυτή αποτελείται από τα συστήµατα _που είναι συνδεδεµένα στις θύρες 4, 7 και 8 του µεταγωγέα ∆_. Η Περιοχή ∆ικτύου ενός MS – Windows συστήµατος εµφανίζει τα συστήµατα που ανήκουν στην ίδια περιοχή καθολικής εκποµπής µ’ αυτό. Έτσι, η παραπάνω απάντηση είναι άµεση συνέπεια του ορισµού του ιδεατού τοπικού δικτύου, το οποίο στην

209

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

210

περίπτωσή µας είναι το VLAN 10. Η απάντηση «_που είναι συνδεδεµένα στις υπόλοιπες θύρες του µεταγωγέα Β_» µπορεί µεν να πηγάζει αυθόρµητα (λόγω φυσικής διάταξης) και να δίδεται συχνά, είναι όµως εντελώς λανθασµένη. (ε) Οι κόµβοι του εκτεταµένου τοπικού δικτύου του σχήµατος 5.8 _δεν είναι απαραίτητο_ να υποστηρίζουν την ύπαρξη ετικέτας VLAN στα πλαίσια Ethernet που διακινούν. Αυτό συµβαίνει εκ κατασκευής, όπως εξηγείται αναλυτικά στην Ενότητα 5.2.4. Εάν όµως την υποστηρίζουν, τότε οι κόµβοι µπορούν να ανήκουν σε περισσότερα από δύο VLAN ταυτόχρονα. Εάν δώσατε τις ίδιες απαντήσεις µε τις παραπάνω, τότε πιστεύω ότι έχετε κατανοήσει επαρκώς τα βασικά σηµεία της τεχνολογίας Ethernet και µπορείτε να προχωρήσετε στις επόµενες Ενότητες. Αν όχι, θα πρότεινα να ξαναδιαβάσετε προσεκτικά όλη την Ενότητα 5.2, καθώς τα δίκτυα τύπου Ethernet αποτελούν τη συντριπτική πλειονότητα των εγκατεστηµένων τοπικών δικτύων στις µέρες µας – και αυτό δε φαίνεται να αλλάζει σύντοµα… 5.5 (α)Στα δίκτυα CSMA/CD, υπό συνθήκες χαµηλού έως µηδενικού φόρτου, το πιο πιθανό είναι να µην υπάρχουν συγκρούσεις. Οπότε, ένας κόµβος που έχει δεδοµένα προς µετάδοση, δε θα περιµένει καθόλου για να στείλει τα πλαίσιά του στο δίκτυο. Αντίθετα, ο κόµβος στο δακτύλιο, θα πρέπει να περιµένει να περάσει το κουπόνι από µπροστά του για να το δεσµεύσει και να µπορέσει έτσι να αποστείλει τα δεδοµένα του. Κατά συνέπεια, ο µικρότερος Μέσος Χρόνος Προσπέλασης του φυσικού µέσου (Average Media Access Time) θα εµφανίζεται στο δίκτυο Ethernet. (β) Υπό συνθήκες υψηλού φόρτου, ο χρόνος που µπορεί να περιµένει ένας κόµβος διασυνδεδεµένος σε δίκτυο Ethernet για να στείλει τα δεδοµένα του, µπορεί (θεωρητικά) να είναι άπειρος. Αντίθετα, στα δίκτυα τύπου δακτυλίου µε κουπόνι, ο χρόνος αυτός φράσσεται άνω από την ποσότητα (N – 1) ¥ θ, όπου N είναι οι κόµβοι και θ ο χρόνος κράτησης κουπονιού του δακτυλίου. Οπότε, ο µικρότερος Μέγιστος Χρόνος Προσπέλασης του φυσικού µέσου (Maximum Media Access Time – ΜΜΑΤ) θα εµφανίζεται στο δακτύλιο µε κουπόνι. (γ) Στις περιπτώσεις χαµηλού προς µηδενικού φόρτου, η απόδοση ενός δικτύου Ethernet πλησιάζει το 100%. Έτσι, ο κόµβος που έχει πλαίσια να στείλει στο δίκτυο, θα τα µεταδίδει µε ρυθµό 10 Mbps. Αυτήν την τιµή δεν µπορεί να τη

∞¶∞¡∆∏™∂π™ ∞™∫∏™∂ø¡ ∞À∆√∞•π√§√°∏™∏™

συναγωνιστεί ένας δακτύλιος µε ρυθµό µετάδοσης 4 Mbps. (δ) Στις περιπτώσεις υψηλού φόρτου, η απόδοση του δικτύου Ethernet είναι περίπου ίση µε ηCSMA.CD ≈ 92%. Από τα 600 bits του πλαισίου, η επιβάρυνση είναι σε ποσοστό (600 – 208) / 600 ≈ 65%. Οπότε, τα δεδοµένα θα µεταδίδονται µε ρυθµό περίπου ίσο µε 65% ¥ 92% ¥ 10 Mbps = 5,98 Mbps. Την παραπάνω τιµή επίσης δεν µπορεί να τη συναγωνιστεί ένα δίκτυο µε ονοµαστικό ρυθµό µετάδοσης των 4 Mbps, ασχέτως εάν η απόδοση που επιτυγχάνει είναι 100% και εισάγει πολύ µικρή επιβάρυνση πλαισίωσης, όπως ο δακτύλιος µε κουπόνι. 5.6 1. Λαµβάνοντας υπόψη και το πρότυπο CDDI για το φυσικό µέσο ενός δικτύου FDDI, προκύπτει ότι η σωστή απάντηση είναι η (δ). Οι οπτικές ίνες µπορεί να είναι είτε πολυτροπικές είτε µονοτροπικές. Τα οµοαξονικά καλώδια δεν υποστηρίζονται ως φυσικό µέσο στο πρότυπο FDDI. 2. Σωστή είναι η απάντηση (β). Υπενθυµίζουµε ότι στη φυσική τοπολογία αστέρα µπορούµε εύκολα να κατασκευάσουµε λογικό δακτύλιο µε τη χρήση ειδικού συγκεντρωτή (βλέπε σχήµα 5.19, στην απάντηση της Άσκησης Αυτοαξιολόγησης 5.1). 3. Όταν συµβεί και η δεύτερη βλάβη στο δίκτυο του σχήµατος 5.12.β, τότε ο αρχικός δακτύλιος σπάει σε δύο ανεξάρτητους δακτυλίους. Οι κόµβοι του ενός δακτυλίου δεν µπορούν να επικοινωνήσουν πλέον µε τους κόµβους του άλλου δακτυλίου. Σε κάθε δακτύλιο όµως, οι διασυνδεδεµένοι κόµβοι επικοινωνούν µεταξύ τους. Με βάση τα παραπάνω, σωστή είναι η επιλογή (γ). 4. Ας εξετάσουµε µία προς µία τις επιλογές µας. Οι (β) και (γ) είναι λανθασµένες εξ ορισµού. Επίσης, αν ίσχυε η (δ), τότε θα προέκυπτε ένα δίκτυο, στο οποίο θα µετέδιδε δεδοµένα µόνο αυτός ο κόµβος που θα δέσµευε πρώτος το κουπόνι. Οπότε, αποκλείοντας όλες τις υπόλοιπες, σωστή πρέπει να είναι η επιλογή (α). Ας καταλάβουµε όµως και το γιατί. Η εξήγηση της επιλογής (α) βασίζεται στην ακόλουθη παρατήρηση. Αν ένας κόµβος µεταδώσει δεδοµένα για µεγάλο χρονικό διάστηµα πριν αποδεσµεύσει το κουπόνι, τότε η τιµή του µετρητή του TRT είναι µεγάλη την επόµενη φορά που δεσµεύει το κουπόνι για µετάδοση. Έτσι, αυτήν την επόµενη φορά, ο χρόνος κράτησης κουπονιού THT = TTRT – TRT θα είναι µικρός και αυτό θα εµποδίσει τον κόµβο να αναµεταδώσει πολλά πλαίσια στο δίκτυο. Εάν επιλέξατε τις σωστές απαντήσεις, τότε µπράβο σας, έχετε κατανοήσει τα βασικά σηµεία της τεχνολογίας FDDI

211

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

212

5.7 1. Ο υψηλότερος ρυθµός µετάδοσης δεδοµένων στο δίκτυο επιτυγχάνεται στα δίκτυα [ 802.5 | FDDI | 802.11 | τύπου Ethernet | CSMA/CD ]. Μέχρι το τέλος του 2002 αναµένονται να κυκλοφορήσουν στο εµπόριο µεταγωγείς Ethernet µε ρυθµό µετάδοσης ανά θύρα στα 10 Gbps, ενώ η ανάπτυξη τοπικών δικτύων µε µεταγωγείς Ethernet των 100 Mbps είναι πλέον ένα συνηθισµένο φαινόµενο. Το CSMA/CD έχει πλέον καθιερωθεί ως συνώνυµο του Ethernet. 2. Σύγχρονη µορφή κυκλοφορίας µπορούν να υποστηρίξουν απευθείας τα δίκτυα [ FDDI | 802.3 | δακτύλιος µε κουπόνι | 802.11 | 10Base – T ]. 3. Τα πρωτόκολλα CSMA υλοποιούνται στα δίκτυα [ 802.5 | Ethernet | FDDI | 802.11b | 100Base – TX ]. Τα δίκτυα 802.3 χρησιµοποιούν το πρωτόκολλο CSMA/CD, ενώ τα δίκτυα 802.11 το CSMA/CA. 4. Από τα τοπικά δίκτυα που γνωρίσαµε σ’ αυτό το Κεφάλαιο, την καλύτερη απόδοση την επιτυγχάνει το δίκτυο [ FDDI | Ethernet | δακτύλιος µε κουπόνι | 802.11 | Gigabit Ethernet ]. 5. Η µεγαλύτερη απόσταση µεταξύ δύο κόµβων επιτυγχάνεται στα δίκτυα [ 802.5 | FDDI | 1000Base – LX | 802.11 | 1000Base – SX ]. Αυτή η απόσταση είναι 10 Km όταν το δίκτυο FDDI υλοποιείται µε µονοτροπικές οπτικές ίνες. Η δεύτερη µεγαλύτερη απόσταση είναι τα 5 Km στα δίκτυα 1000Base – LX. 6. Ένα άνω όριο στο µέγιστο χρόνο προσπέλασης στο φυσικό µέσο µπορεί να οριστεί στα δίκτυα [ 1000Base – SX | 802.5 | δακτύλιος µε κουπόνι | 802.11 | FDDI ]. 7. Ιδεατά τοπικά δίκτυα µπορούµε να ορίσουµε µόνο σε εκτεταµένα τοπικά δίκτυα τύπου [Ethernet | FDDI | 802.5 | 802.11 | 100Base – TX ]. Αν διαγράψατε όλες τις λανθασµένες λέξεις ή φράσεις, τότε συγχαρητήρια !!!. Αν όχι, µην απογοητεύεστε. Η πληροφορία που περιέχεται σ’ αυτό το Κεφάλαιο είναι σίγουρα πολλή και ίσως µπερδεύεστε ακόµα µετά την πρώτη ανάγνωση. Αυτή η σύγχυση όµως είναι ένα συχνό φαινόµενο στους ανθρώπους που έρχονται για πρώτη φορά σε επαφή µε τον κόσµο των τοπικών δικτύων. Θα πρότεινα να µελετήσετε ξανά όλο το Κεφάλαιο και σας βεβαιώνω ότι η αυτή η επανάληψη θα σας βοηθήσει σηµαντικά την επόµενη φορά που θα προσπαθήσετε να απαντήσετε σ’ αυτήν την άσκηση αυτοαξιολόγησης.

EÓ‰ÂÈÎÙÈΤ˜ ··ÓÙ‹ÛÂȘ ‰Ú·ÛÙËÚÈÔÙ‹ÙˆÓ 1.1 Στα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος η µετάδοση δεδοµένων είναι διαφανής, δηλαδή τα δεδοµένα δεν υποβάλλονται σε καµία επεξεργασία κατά τη διέλευσή τους από το δίκτυο. Έτσι, η καθυστέρηση µεταφοράς που επιβάλλουµε στα µεταδιδόµενα δεδοµένα είναι µικρότερη από την αντίστοιχη καθυστέρηση στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων, όπου τα δεδοµένα κατακερµατίζονται σε πακέτα, επιφορτίζονται µε πληροφορία που είναι απαραίτητη για τη δροµολόγησή τους και επαναδοµούνται στον προορισµό. Για την εξυπηρέτηση µιας κλήσης, το δίκτυο µεταγωγής κυκλώµατος δεσµεύει χωρητικότητα από όλους τους συνδέσµους της επιλεγµένης διαδροµής µεταξύ του αποστολέα και του παραλήπτη. Όταν, όµως, δεν υπάρχει πληροφορία προς µεταβίβαση ή ανταλλαγή µεταξύ των χρηστών, αυτή η δεσµευµένη χωρητικότητα δεν αξιοποιείται. Αυτό αποτελεί το σηµαντικότερο µειονέκτηµα της τεχνικής µεταγωγής κυκλώµατος έναντι της τεχνικής µεταγωγής πακέτων. Επίσης, ένα άλλο σηµαντικό µειονέκτηµα είναι ο µεγάλος φόρτος διαχείρισης που επιβαρύνει τα δίκτυα µεταγωγής κυκλώµατος για την εγκαθίδρυση, την εποπτεία και τον έλεγχο των συνδέσεων µεταξύ των ενδιαφερόµενων µερών. 1.2 Στην τεχνική µεταγωγής πακέτων µε ιδεατά κυκλώµατα τα ληφθέντα πακέτα βρίσκονται στη σωστή διάταξη. Επίσης, ο χρόνος µεταφοράς των πακέτων εµφανίζει µικρότερη διακύµανση, λόγω της σταθερής διαδροµής που ακολουθούν. Τέλος, ένα σηµαντικό πλεονέκτηµα αποτελεί η δυνατότητα για έλεγχο ροής (flow control), µέσω του οποίου µπορούµε να ρυθµίζουµε το ρυθµό και τον όγκο της µεταβιβαζόµενης πληροφορίας µεταξύ του αποστολέα και του παραλήπτη, ανάλογα µε το φόρτο και την τρέχουσα κατάσταση του δικτύου. Στα δίκτυα µε αυτοδύναµα πακέτα ο έλεγχος ροής δεν είναι εφικτός, γιατί τα δεδοµένα µπορούν να ακολουθήσουν διαφορετικές διαδροµές στο δίκτυο. Στα µειονεκτήµατα της τεχνικής µεταγωγής µε ιδεατά κυκλώµατα έναντι της µεταγωγής µε αυτοδύναµα πακέτα συµπεριλαµβάνονται η επιβάρυνση του δικτύου µε τις λειτουργίες εγκαθίδρυσης κυκλώµατος για την εξυπηρέτηση µιας κλήσης και η µικρότερη ανοχή στα προβλήµατα δυσλειτουργίας του δικτύου.

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

214

2.1 Στο πρώτο επίπεδο υπηρεσιών βρίσκονται αυτές που παρέχει το χρησιµοποιούµενο υλικό, όπως, π.χ. η κωδικοποίηση και διαµόρφωση της πληροφορίας σε σήµα κατάλληλο προς µετάδοση, η ανάλογη αποκωδικοποίηση και αποδιαµόρφωση του ληφθέντος σήµατος, η ενδεχόµενη κρυπτογράφηση και συµπίεση της πληροφορίας κ.ά. Οι υπηρεσίες που παρέχει το δεύτερο επίπεδο εξασφαλίζουν την αξιόπιστη διασύνδεση δύο γειτονικών κόµβων. Χρησιµοποιεί την υπηρεσία της απευθείας σύνδεσης που διαθέτει το επίπεδο 1, αποκρύπτοντας όλες τις τεχνικές λεπτοµέρειες για την πραγµατοποίησή της. Ο χρήστης της υπηρεσίας του δεύτερου επιπέδου αγνοεί αν για τη διασύνδεση των δύο κόµβων χρησιµοποιήθηκε µικροκυµατική ή δορυφορική ζεύξη. Υλοποιώντας διάφορες τεχνικές ελέγχου σφαλµάτων, αυτό το επίπεδο µπορεί να µας εγγυηθεί την αξιόπιστη µεταφορά πληροφορίας µεταξύ των κόµβων, διορθώνοντας τα τυχόν σφάλµατα µετάδοσης. Στο τρίτο επίπεδο µπορούµε να θεωρήσουµε ότι παρέχεται η από άκρο σε άκρο επικοινωνία. Αυτή η υπηρεσία «χτίζεται» πάνω από την υπηρεσία διασύνδεσης κόµβων του επιπέδου 2 και παρέχει ένα ιδεατό κανάλι επικοινωνίας µεταξύ των τερµατικών σταθµών Α και Π. Ο χρήστης της υπηρεσίας του τρίτου επιπέδου αγνοεί τη διαδροµή που ακολουθεί η ροή των δεδοµένων του και δεν αντιλαµβάνεται τις πιθανές αναδροµολογήσεις που συµβαίνουν σε περιπτώσεις δυσλειτουργίας των ενδιάµεσων συνδέσµων. Στο τέταρτο και υψηλότερο επίπεδο παρέχεται η υπηρεσία που είναι άµεσα αντιληπτή από το χρήστη: το ηλεκτρονικό ταχυδροµείο µεταξύ του Α και του Π. Ο τρόπος διασύνδεσης των τερµατικών σταθµών αποκρύπτεται από τους τελικούς χρήστες, δίνοντάς τους την εντύπωση ότι επικοινωνούν απευθείας µέσω του ιδεατού καναλιού επικοινωνίας που παρέχει το τρίτο επίπεδο. Συνοψίζοντας, οι παρεχόµενες υπηρεσίες του επικοινωνιακού συστήµατος του Σχήµατος 2.2 µπορούν να οργανωθούν στα τέσσερα επίπεδα του Σχήµατος 2.3. Εφαρµογή ηλεκτρονικού ταχυδροµείου ™¯‹Ì· 2.3

Μια προτεινόµενη διαστρωµάτωση των υπηρεσιών του επικοινωνιακού συστήµατος του Σχήµατος 2.2

Επικοινωνία τερµατικών σταθµών (από άκρο σε άκρο επικοινωνία) ∆ιασύνδεση κόµβου µε κόµβο Υλικό

E ¡ ¢ ∂ π ∫ ∆ π ∫ ∂ ™ ∞ ¶ ∞ ¡ ∆ ∏ ™ ∂ π ™ ¢ ƒ∞ ™ ∆ ∏ ƒ π √ ∆ ∏ ∆ ø ¡

Αν προσδιορίσατε και ιεραρχήσατε τις υπηρεσίες του συστήµατος 2.2 µε τρόπο παρόµοιο του Σχήµατος 2.3, τότε σας αξίζουν συγχαρητήρια! 2.2 Για τη µεταφορά αρχείων πάνω από δίκτυα TCP/IP συνήθως χρησιµοποιείται η εφαρµογή FTP, η οποία παρέχει ένα πλήθος επιλογών για την ανάκτηση αρχείου ή την τοποθέτηση αρχείου σε αποµακρυσµένο υπολογιστή. Ενδεικτικά αναφέρονται η δυνατότητα περιήγησης στους καταλόγους του τοπικού και του αποµακρυσµένου υπολογιστή, η δυνατότητα µαζικής αποστολής ή λήψης αρχείων, η επιλογή του τρόπου µεταφοράς (ενιαία, τµηµατική ή µε συµπίεση) και η πιστοποίηση της ταυτότητας χρήστη. Σε ειδικές περιπτώσεις χρησιµοποιείται η εφαρµογή TFTP, η οποία αποτελεί µια περιορισµένη έκδοση της εφαρµογής FTP, καθώς δεν εξασφαλίζει την πιστοποίηση της ταυτότητας χρήστη ούτε δίνει τη δυνατότητα περιήγησης σε καταλόγους. Όποια εφαρµογή και αν επιλέξει ο χρήστης, αυτή θα επικοινωνήσει µε το αντίστοιχο πρωτόκολλο εφαρµογής. Για την επικοινωνία των δύο υπολογιστικών συστηµάτων, που αποτελούν τερµατικούς κόµβους του δικτύου, το FTP χρησιµοποιεί σύνδεση TCP, ενώ το TFTP χρησιµοποιεί σύνδεση UDP. Συγκεκριµένα, σε κάθε περίπτωση χρησιµοποιούνται δύο διαφορετικές συνδέσεις: µία για τη µεταβίβαση εντολών και αποκρίσεων και µία δεύτερη για τη µεταφορά αρχείων και επιβεβαιώσεων. Για τη διευθυνσιοδότηση των υπολογιστών και τη δροµολόγηση των πακέτων χρησιµοποιείται το πρωτόκολλο IP, το οποίο άλλωστε είναι και το µοναδικό πρωτόκολλο του Επιπέδου ∆ικτύου στην αρχιτεκτονική του TCP/IP. Τέλος, ανάλογα µε το διαθέσιµο φυσικό µέσο και τις απαιτήσεις πρόσβασης χρησιµοποιείται και το κατάλληλο πρωτόκολλο του Επιπέδου Πρόσβασης ∆ικτύου. 3.1 Εάν τα δεδοµένα του πλαισίου περιέχουν τον ειδικό χαρακτήρα ελέγχου ETX, τότε ο παραλήπτης κόµβος θα αναγνωρίσει λανθασµένα τα όρια του πλαισίου και, κατά συνέπεια, οι διαδικασίες ελέγχου σφαλµάτων µεταφοράς του πλαισίου που θα εκτελέσει θα έχουν και αυτές λανθασµένο αποτέλεσµα. Για να ξεπεράσουµε αυτό το πρόβληµα, αρκεί να αλλάξουµε τη σηµασία του χαρακτήρα ETX όταν αποτελεί µέρος των δεδοµένων του πλαισίου. Αυτό µπορεί να γίνει προσθέτοντας πριν από τον ETX τον ειδικό χαρακτήρα ελέγχου DLE, ο οποίος έχει

215

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

216

την ιδιότητα να αλλάζει τη σηµασία του χαρακτήρα που τον ακολουθεί. Ο αποστολέας κόµβος, συνεπώς, αντί για το χαρακτήρα ETX, θα µεταδώσει το ζευγάρι των χαρακτήρων DLE – ETX. Όταν ο παραλήπτης κόµβος λάβει το χαρακτήρα ETX, τότε θα ελέγξει τον προηγούµενο χαρακτήρα που έχει λάβει. Εάν είναι ο ειδικός χαρακτήρας διαφυγής DLE, τότε θα αναγνωρίσει ότι ο ETX αποτελεί µέρος των δεδοµένων. Από το ζευγάρι χαρακτήρων DLE – ETX θα απορροφήσει τον DLE και θα προωθήσει µόνο το χαρακτήρα ETX. Αντίστοιχη είναι και η διαδικασία που ακολουθείται και για τον ίδιο το χαρακτήρα DLE όταν αυτός περιέχεται στα δεδοµένα προς µετάδοση. 3.3 Ας θεωρήσουµε το ακόλουθο σενάριο. Έστω ότι αντιµετωπίζουµε τα σφάλµατα στα σήµατα πυρόσβεσης µε την επανεκποµπή πλαισίων και πιάνει κάπου φωτιά. Το αντίστοιχο σήµα τότε αποστέλλεται στον αποµακρυσµένο κόµβο που θα πρέπει να αναλάβει δράση, αλλά –δυστυχώς– αλλοιώνεται κατά τη µεταφορά του. Η αλλοίωση αυτή εντοπίζεται και ζητείται η επανεκποµπή του σήµατος. Μέχρι να φτάσει όµως η αίτηση για επανεκποµπή στον αρχικό κόµβο, να ξαναστείλει αυτός το σήµα και να ελεγχθεί ως προς την ορθότητά του, περνάει χρόνος, ο οποίος ίσως αποδειχθεί κρίσιµος στην προσπάθεια της κατάσβεσης. Αντίστοιχα, στην υπηρεσία τηλεδιάσκεψης, αλλά και γενικότερα στις υπηρεσίες πραγµατικού χρόνου, δεν υπάρχουν συνήθως χρονικά περιθώρια για να περιµένει ο παραλήπτης κόµβος την επανεκποµπή των εσφαλµένων πλαισίων, καθώς η φωνή και η κινούµενη εικόνα πρέπει να αποδίδονται στον τελικό χρήστη µέσα σε συγκεκριµένο χρόνο από τη δηµιουργία τους. Έτσι, για τις περιπτώσεις (α) και (δ) θα επιλέγαµε ως επικρατέστερη τεχνική τη διόρθωση σφάλµατος. Γενικά, πιστεύουµε πως, µε την ανάπτυξη δικτύων υψηλής απόδοσης και µε την αύξηση της επεξεργαστικής ισχύος στους σύγχρονους υπολογιστές, οι τεχνικές διόρθωσης σφαλµάτων θα επικρατήσουν στα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα τα επόµενα χρόνια. 3.4 Αν θα έπρεπε να διατηρήσουµε στη µνήµη του συστήµατος όλο τον Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης για τον κώδικα δέσµης (63, 57), τότε ο διαθέσιµος χώρος θα έπρεπε να ήταν ίσος µε n2n = 63 ◊ 263 ≈ 1020 bits, ποσότητα δηλαδή απαγορευτική για την υλοποίησή του. Αν, µάλιστα, σκεφτούµε ότι οι συχνά χρησιµοποιούµενοι κώδικες

E ¡ ¢ ∂ π ∫ ∆ π ∫ ∂ ™ ∞ ¶ ∞ ¡ ∆ ∏ ™ ∂ π ™ ¢ ƒ∞ ™ ∆ ∏ ƒ π √ ∆ ∏ ∆ ø ¡

είναι µεγέθους (255, 223) ή (255, 239), τότε η τήρηση του Πίνακα Τυπικής ∆ιάταξης σε αυτούσια µορφή είναι αδύνατη. Στην πράξη τα συστήµατα αποκωδικοποίησης αξιοποιούν κάποιες χρήσιµες µαθηµατικές ιδιότητες των κωδίκων, βάσει των οποίων ο απαιτούµενος χώρος αποθήκευσης µειώνεται πολύ κάτω από τα n2n – k bits, η δε πολυπλοκότητά τους µειώνεται τόσο ώστε η υλοποίησή τους να είναι εφικτή ακόµα και µε τη χρήση µερικών απλών ολισθητών. Η παρουσίαση αυτών των µαθηµατικών ιδιοτήτων των κωδίκων θα απαιτούσε σελίδες πολλαπλάσιες από το µέγεθος αυτού του Κεφαλαίου, και δεν είναι στους σκοπούς του βιβλίου. Για περαιτέρω µελέτη ο αναγνώστης παραπέµπεται στα βιβλία των Clark και Cain (1981) και του Wicker (1994). 4.1 Όταν η πιθανότητα εµφάνισης σφάλµατος κατά τη µεταφορά ενός πλαισίου πάνω σ’ ένα σύνδεσµο είναι πολύ µικρή, τότε ο από – άκρο – σε – άκρο έλεγχος είναι προτιµητέος από τον έλεγχο ανά σύνδεσµο. Και αυτό γιατί είναι αποδοτικότερο να ζητούµε, από το άκρο του τελικού παραλήπτη, την επανεκποµπή του εσφαλµένου ή απολεσθέντος πακέτου στις σπάνιες περιπτώσεις που αυτό συµβαίνει, παρά να καθυστερούµε το κάθε πακέτο σε κάθε ενδιάµεσο σύνδεσµο. Βέβαια, όταν αυξάνεται ο ρυθµός εµφάνισης σφαλµάτων µεταφοράς, τότε µειώνεται η πιθανότητα του να διασχίσει ένα πακέτο το δίκτυο, από άκρο σε άκρο, χωρίς να αλλοιωθεί. Και για µεγάλες τιµές αυτού του ρυθµού, η λύση του ελέγχου ανά σύνδεσµο αρχίζει να διαφαίνεται ως η συµφέρουσα. Για παράδειγµα, η επικοινωνία διαµέσου οπτικών ινών έχει συνήθως πολύ µικρό ρυθµό εµφάνισης σφαλµάτων µεταφοράς. Έτσι, εάν το δίκτυό µας αποτελείται από συνδέσµους οπτικών ινών, τότε είναι προτιµητέο να ελέγχουµε την από – άκρο – σε – άκρο επικοινωνία. Αντίθετα, ο έλεγχος ανά σύνδεσµο είναι αποδοτικότερος όταν το δίκτυό µας βασίζεται σε τεχνολογίες ασύρµατης επικοινωνίας, όπου συνήθως εµφανίζονται πολλά σφάλµατα κατά τη µεταφορά πλαισίων. Επίσης, σε περιπτώσεις υψηλού κυκλοφοριακού φορτίου, είναι επιθυµητό να διενεργείται ο έλεγχος σφαλµάτων ανά σύνδεσµο, ώστε τα εσφαλµένα πλαίσια να απορρίπτονται το συντοµότερο δυνατό και να µη συµβάλλουν στη συµφόρηση του δικτύου. Αυτό φυσικά είναι επιθυµητό, εφόσον ο έλεγχος των πλαισίων µπορεί να γίνεται χωρίς να καθυστερείται επιπλέον η µετάδοση των πακέτων (π.χ., παράλληλα µε τον χρόνο αναµονής στην ουρά των προηγούµενων πακέτων).

217

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

218

4.2 Το πλαίσιο επιβεβαίωσης λήψης είναι ένα πλήρες πλαίσιο, το οποίο διαθέτει στην επικεφαλίδα του ένα πεδίο ACK µεγέθους συνήθως µερικών µόνο bits. Παρόλο που δεν περιέχει δεδοµένα, το µέγεθος του πλαισίου επιβεβαίωσης (αποτελούµενο από την επικεφαλίδα, το πεδίο CRC, τις ειδικές ακολουθίες bits, κ.ά.) είναι συνήθως πολύ µεγάλο συγκρινόµενο µε το µέγεθος του πεδίου ACK. Αποστέλλοντας λοιπόν ένα ξεχωριστό πλαίσιο για την επιβεβαίωση λήψης, το ποσοστό της χρήσιµης πληροφορίας που µεταδίδουµε είναι µικρό και έτσι αντίστοιχα µικρός φαίνεται να είναι και ο βαθµός αξιοποίησης του συνδέσµου. Μέχρι τώρα γνωρίζουµε ότι από τον παραλήπτη προς τον αποστολέα µεταδίδονται πλαίσια επιβεβαίωσης. Εάν η µεταξύ τους συνοµιλία είναι διαλεκτική, τότε από τον παραλήπτη προς τον αποστολέα θα µεταδίδονται και πλαίσια δεδοµένων. Αν αξιοποιήσουµε αυτήν την ανάστροφη ροή δεδοµένων, τότε µπορούµε να προτείνουµε µία τεχνική βελτίωσης της χρησιµοποίησης του διαθέσιµου εύρους ζώνης του συνδέσµου, η οποία είναι ευρέως γνωστή ως εµβόλιµη ή επιπροσαρτηµένη επιβεβαίωση λήψης (piggy – backing). Σύµφωνα µ’ αυτήν την τεχνική, όταν ο παραλήπτης λάβει ένα πλαίσιο δεδοµένων χωρίς σφάλµατα, τότε δεν συντάσσει ένα ξεχωριστό πλαίσιο επιβεβαίωσης, αλλά περιµένει τη διέλευση ενός πακέτου προς την αντίθετη κατεύθυνση. Όταν εµφανιστεί ένα τέτοιο πακέτο, τότε συντάσσει το πλαίσιό του σύµφωνα µε την προσυµφωνηµένη διαδικασία του αντίστοιχου πρωτοκόλλου, αλλά επιπλέον προσαρτά την επιβεβαίωση λήψης που αναµένει (χρησιµοποιώντας το πεδίο ACK στην επικεφαλίδα του πλαισίου). Έτσι λοιπόν, η επιβεβαίωση ταξιδεύει δωρεάν πάνω στο επόµενο εξερχόµενο πλαίσιο δεδοµένων. Βέβαια η παραπάνω τεχνική έχει το εξής πρόβληµα: και πώς γνωρίζει ο παραλήπτης κόµβος ότι θα διαθέτει, εντός προθεσµίας, ένα νέο πακέτο δεδοµένων µε προορισµό τον αποστολέα, έτσι ώστε να µπορέσει να του επισυνάψει την επιβεβαίωση λήψης; ∆υστυχώς, αυτό δεν το γνωρίζει και το πρόβληµα επιλύεται ορίζοντας ένα χρονικό διάστηµα αναµονής, στο οποίο ο παραλήπτης περιµένει την έλευση ενός νέου πακέτου για τον αποστολέα. Αν το πακέτο αυτό εµφανιστεί µέσα στο διάστηµα αναµονής, τότε προσαρτά επάνω του την επιβεβαίωση λήψης. Στην αντίθετη περίπτωση, αποστέλλει ένα ξεχωριστό πλαίσιο επιβεβαίωσης. 4.4 Ας θεωρήσουµε την ακολουθία µεταδόσεων πλαισίων του σχήµατος 4.14.α, στην

E ¡ ¢ ∂ π ∫ ∆ π ∫ ∂ ™ ∞ ¶ ∞ ¡ ∆ ∏ ™ ∂ π ™ ¢ ƒ∞ ™ ∆ ∏ ƒ π √ ∆ ∏ ∆ ø ¡

219

οποία εφαρµόζεται το πρωτόκολλο SRP µε µέγεθος παραθύρου W = 3 και η αρίθµηση των πλαισίων του γίνεται modulo 5. Παρατηρούµε ότι µεταδίδονται διαδοχικά τα πακέτα 0, 1, 2, 3, 4 και 5, τα δε πλαίσια µετάδοσης έχουν απαριθµηθεί µε τα νούµερα 0, 1, 2, 3, 4 και 0 αντίστοιχα. Τη χρονική στιγµή t1, στον παραλήπτη φτάνει το πακέτο 5. Ας παρατηρήσουµε τώρα το σενάριο του σχήµατος 4.14.β. Τα πακέτα 0, 1 και 2 στέλνονται διαδοχικά στο δίκτυο και φτάνουν χωρίς σφάλµατα στον παραλήπτη. Η επιβεβαίωση όµως του πλαισίου 0 χάνεται κατά τη µεταφορά της και έτσι ο αποστολέας µπλοκάρει µέχρις ότου εκπνεύσει η προθεσµία του πλαισίου 0. Τότε, ο αποστολέας επαναµεταδίδει ένα αντίγραφο του πακέτου 0, το οποίο φτάνει στον παραλήπτη επίσης τη χρονική στιγµή t1. ∆ηλαδή, τη χρονική στιγµή t1, ο παραλήπτης λαµβάνει το πακέτο 5 στην πρώτη περίπτωση και το πακέτο 0 στη δεύτερη. Και τα δύο έχουν τον ίδιο απαριθµητή πλαισίου, ενώ η ακολουθία αφίξεων των πλαισίων στον παραλήπτη είναι η ίδια και στις δύο περιπτώσεις. Με βάση τα παραπάνω, ο παραλήπτης δεν µπορεί να διακρίνει τις δύο διαφορετικές περιπτώσεις και το πρωτόκολλο αποτυγχάνει στη λειτουργία του. προθεσµία πακέτο: 0 1 2 απαριθµητής:‚ 0 1 2 πλαισίου

3 4 5 3 4 0

0 1 2

0

0 1 2

0

t1 (α) τη χρονική στιγµη t1 ο παραλήπτης‚ λαµβάνει το πακέτο 5

t1 (β) την ίδια χρονική στιγµη t1 ο παραλήπτης‚ λαµβάνει ένα αντίγραφο του πακέτου 0

™¯‹Ì· 4.14

Ένα παράδειγµα µεταδόσεων πλαισίων, στο οποίο απεικονίζεται η λανθασµένη λειτουργία του πρωτοκόλλου SRP, όταν η αρίθµηση των πλαισίων του γίνεται µε ένα σύνολο απαριθµητών µικρότερο του ικανού.

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

220

5.2 Αρχικά θα αναπτύξουµε τα επιµέρους τοπικά δίκτυα, από ένα σε κάθε κτίριο. Εφόσον η έκταση που καταλαµβάνουν τα γραφεία είναι σχετικά µικρή, µπορούµε να χρησιµοποιήσουµε τις τεχνολογίες 10Base – T, 100Base – TX ή 1000Base – T, ανάλογα µε το διαθέσιµο προϋπολογισµό και τις απαιτήσεις των χρηστών στην ταχύτητα µετάδοσης των δεδοµένων. Στη συνέχεια, θα ενώσουµε τα επιµέρους τοπικά δίκτυα χρησιµοποιώντας οπτικούς συνδέσµους σηµείο µε σηµείο, τεχνολογίας 100Base – FX ή 1000Base – LX. Για την παραπάνω διασύνδεση των επιµέρους τοπικών δικτύων θα µπορούσαµε να χρησιµοποιήσουµε και οµοαξονικό καλώδιο. Ο λόγος που δεν έχουµε αναφέρει καθόλου τα δίκτυα 802.3, που χρησιµοποιούν οµοαξονικά καλώδια ως φυσικό µέσο µετάδοσης, είναι το ότι έχουν πλέον εγκαταλειφθεί στην πράξη λόγω των κατασκευαστικών και λειτουργικών περιορισµών που εισάγουν στο δίκτυο.

°ÏˆÛÛ¿ÚÈÔ fiÚˆÓ

BISYNC Είναι ένα πρωτόκολλο πλαισίωσης, όπου το πλαίσιο γίνεται αντιληπτό ως µία συλλογή από bytes. Αναπτύχθηκε από την ΙΒΜ στα τέλη της δεκαετίας του 1960 για τη διασύνδεση αποµακρυσµένων τερµατικών µε τους υπολογιστές της. Το πλαίσιο BISYNC περιέχει στο τέλος του ένα πεδίο CRC για τον εντοπισµό των σφαλµάτων µεταφοράς. CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection – Πολλαπλή Πρόσβαση µε Ακρόαση Φέροντος και Ανίχνευση Συγκρούσεων) Είναι ένα πρωτόκολλο Ελέγχου Προσπέλασης στο φυσικό µέσο, κατά το οποίο ένας κόµβος που θέλει να µεταδώσει δεδοµένα στο δίκτυο παρατηρεί συνεχώς το µέσο πολλαπλής πρόσβασης. Όταν διαπιστώσει ότι είναι αδρανές, τότε ξεκινάει τη µετάδοση των δεδοµένων. Αν κατά τη µετάδοση ανιχνεύσει σύγκρουση µε κάποιον άλλο κόµβο, τότε σταµατάει τη µετάδοση και περιµένει για ένα τυχαίο χρονικό διάστηµα µέχρι να ξαναπροσπαθήσει. CSMA/CΑ (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance – Πολλαπλή Πρόσβαση µε Ακρόαση Φέροντος και Αποφυγή Συγκρούσεων) Είναι ένα πρωτόκολλο Ελέγχου Προσπέλασης στο φυσικό µέσο παρόµοιο µε το CSMA/CD, µε τη διαφορά ότι δεν ανιχνεύονται οι συγκρούσεις. Αντίθετα υλοποιείται ένας µηχανισµός που περιορίζει στο ελάχιστο την εµφάνιση συγκρούσεων. Εάν τελικά υπάρξει κάποια σύγκρουση στο δίκτυο και αλλοιωθούν τα µεταφερόµενα πλαίσια, τότε αυτή η αλλοίωση ανιχνεύεται µέσω ενός σχήµατος επιβεβαίωσης λήψης των πλαισίων που υπάρχει στο ίδιο το πρωτόκολλο. DDCMP Είναι ένα πρωτόκολλο πλαισίωσης, όπου το πλαίσιο θεωρείται ως ένα σύνολο από bytes. Για την οριοθέτηση του πλαισίου, υπάρχει στην επικεφαλίδα του ένα πεδίο που δηλώνει το συνολικό µήκος του σε bytes. Επίσης, στο πλαίσιο DDCMP υπάρχουν δύο πεδία CRC, ένα για τον έλεγχο σφαλµάτων της επικεφαλίδας και ένα για τα µεταφερόµενα δεδοµένα. Ethernet (IEEE 802.3) Είναι µία οικογένεια προτύπων τοπικού δικτύου, µε κοινό χαρακτηριστικό γνώ-

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

222

ρισµα τη χρήση του πρωτοκόλλου CSMA/CD για τον έλεγχο προσπέλασης του φυσικού µέσου. Οι ονοµαστικοί ρυθµοί µετάδοσης δεδοµένων στα δίκτυα Ethernet κυµαίνονται από τα 10 Mbps έως τα 10 Gbps και συνήθως υλοποιούνται µε τη χρήση µεταγωγών. FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Είναι ένα πρότυπο για την ανάπτυξη µητροπολιτικών και τοπικών δικτύων, µε λογική τοπολογία διπλού δακτυλίου. Το πρωτόκολλο MAC του FDDI είναι ένας µηχανισµός διαχείρισης κουπονιού µε χρονικούς περιορισµούς, ο οποίος εγγυάται την αποδοτική υποστήριξη σύγχρονης κυκλοφορίας. HDLC (High – Level Data Link Control) Είναι ένα πρωτόκολλο πλαισίωσης, όπου το πλαίσιο γίνεται αντιληπτό ως µία συλλογή από bits. Η αρχή και το τέλος του πλαισίου σηµατοδοτούνται από µία ειδική ακολουθία bits, ενώ τα µεταφερόµενα δεδοµένα περιβάλλονται από µία επικεφαλίδα και από ένα πεδίο CRC. IP (Internet Protocol – πρωτόκολλο διαδικτύωσης) Είναι ένα πρωτόκολλο Επιπέδου ∆ικτύου στην αρχιτεκτονική TCP/IP, το οποίο ελέγχει τη διευθυνσιοδότηση των κόµβων του δικτύου και τη δροµολόγηση των πακέτων. Υλοποιεί επικοινωνία χωρίς σύνδεση (µε αυτοδύναµα πακέτα), αλλά δεν µπορεί να εγγυηθεί ότι θα παραδώσει όλα τα πακέτα δεδοµένων στον προορισµό τους ή ότι θα τα παραδώσει µε τη σωστή σειρά. LAPB Είναι το πρωτόκολλο που υλοποιείται στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων των δικτύων Χ.25. Το πλαίσιό του είναι παρόµοιο µ’ αυτό του πρωτοκόλλου HDLC και χρησιµοποιεί την τεχνική επανεκποµπής GO BACK N, µε θετικές και αρνητικές επιβεβαιώσεις και µέγεθος παραθύρου από 1 έως 8. SDH (Synchronous Digital Hierarchy) Είναι ένα πρωτόκολλο πλαισίωσης που βασίζεται στην ύπαρξη ενός κοινού ρολογιού σ’ όλο το εύρος του δικτύου και χρησιµοποιείται για τη µετάδοση ψηφιακού σήµατος πάνω από οπτική ίνα. Το πλαίσιο του SDH είναι ακέραιο πολλαπλάσιο της στοιχειώδους µονάδας σύγχρονης µεταφοράς STM – 1.

°§ø™™∞ƒπ√ √ƒø¡

SONET (Synchronous Optical Network) Είναι ένα πρωτόκολλο πλαισίωσης παρόµοιο του SDH και χρησιµοποιείται επίσης για τη µετάδοση ψηφιακού σήµατος πάνω από οπτική ίνα. STM – 1 (Synchronous Transport Module – 1) Είναι το πλαίσιο µεταφοράς δεδοµένων σε συνδέσµους SDH µε ρυθµό µετάδοσης ίσο µε 155,52 Mbps. Μπορούµε να το θεωρήσουµε σαν ένα πίνακα από bytes, µεγέθους 9 γραµµών ¥ 270 στηλών. Τα πρώτα 9 bytes από κάθε γραµµή περιέχουν τις αναγκαίες πληροφορίες ελέγχου, ενώ τα υπόλοιπα 261 bytes περιέχουν τα µεταφερόµενα δεδοµένα. TCP (Transmission Control Protocol – πρωτόκολλο ελέγχου µετάδοσης) Είναι ένα πρωτόκολλο Επιπέδου Μεταφοράς στην αρχιτεκτονική TCP/IP, το οποίο έχει σχεδιαστεί για να παράσχει αξιόπιστη αµφίδροµη επικοινωνία µεταξύ των ενδιαφεροµένων µερών, υλοποιώντας µεταξύ τους ένα ιδεατό κύκλωµα. Το πρωτόκολλο TCP διενεργεί σύνθετους ελέγχους σφαλµάτων και ροής στα µεταδιδόµενα πακέτα. UDP (User Datagram Protocol – πρωτόκολλο αυτοδύναµων πακέτων χρήστη) Είναι ένα απλό πρωτόκολλο Επιπέδου Μεταφοράς στην αρχιτεκτονική TCP/IP, το οποίο ανταλλάσσει αυτοδύναµα πακέτα µεταξύ των ενδιαφεροµένων µερών, χωρίς να υποστηρίζει τεχνικές επιβεβαίωσης ή γενικότερα σχήµατα εγγυηµένης παράδοσης. X.25 Αποτελεί τη σύσταση της ITU – T για τα δηµόσια δίκτυα δεδοµένων και προδιαγράφει τη διεπαφή µεταξύ των χρηστών – συνδροµητών και του δικτύου και τα πρωτόκολλα που χρησιµοποιούνται στα Επίπεδα 1, 2 και 3 κατά τη µεταξύ τους επικοινωνία. XMODEM Είναι ένα πολύ απλό πρωτόκολλο Επιπέδου Σύνδεσης ∆εδοµένων, το οποίο υλοποιεί την τεχνική επανεκποµπής του εναλλασσοµένου bit και µπορεί να χρησιµοποιηθεί για την εγκαθίδρυση απευθείας επικοινωνίας δύο προσωπικών υπολογιστών µέσω modems.

223

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

224

Απόδοση ενός πρωτοκόλλου επανεκποµπής Ορίζεται ως το µέσο ποσοστό χρόνου κατά τον οποίο ο αποστολέας µεταδίδει καινούργια πλαίσια δεδοµένων, υποθέτοντας ότι πάντα υπάρχουν πακέτα προς µετάδοση. Απόσταση Hamming Ως απόσταση Hamming µεταξύ δύο κωδικών λέξεων ορίζεται το πλήθος των bits στα οποία διαφέρουν. Η φυσική ερµηνεία αυτής της απόστασης είναι σηµαντική, καθώς απεικονίζει το πόσο εύκολο ή δύσκολο είναι να αλλοιωθεί µία κωδική λέξη και να µετατραπεί σε µία άλλη κωδική λέξη. Αρνητική επιβεβαίωση (NACK) Είναι ένα πλαίσιο ελέγχου, το οποίο χρησιµοποιείται για την ταχύτερη επανεκποµπή ενός απολεσθέντος πλαισίου. Το πλαίσιο NACK αριθµείται µε τον αριθµό του απολεσθέντος πλαισίου και, όταν ο αποστολέας λάβει την αρνητική επιβεβαίωση, αναµεταδίδει το απολεσθέν πλαίσιο που δηλώθηκε µε το NACK, χωρίς να χρειάζεται να περιµένει την εκπνοή του αντίστοιχου χρόνου προθεσµίας. Ασύρµατα τοπικά δίκτυα (Wireless LANs – WLANs) IEEE 802.11 Είναι µία οικογένεια προτύπων για την ανάπτυξη ασύρµατων τοπικών δικτύων στις κοινόχρηστες περιοχές συχνοτήτων. Για τον έλεγχο προσπέλασης του φυσικού µέσου χρησιµοποιούν κυρίως το πρωτόκολλο CSMA/CA, αλλά ταυτόχρονα διαθέτουν και µία προαιρετική επιλογή για την υποστήριξη σύγχρονης κυκλοφορίας. ∆ακτύλιος µε Κουπόνι (Token Ring) IEEE 802.5 Είναι ένα πρότυπο τοπικού δικτύου, µε κόµβους που συνδέονται σε τοπολογία δακτυλίου και χρησιµοποιούν για τον έλεγχο προσπέλασης στο φυσικό µέσο το µηχανισµό περάσµατος κουπονιού. ∆ιαµετακοµιστική ικανότητα (throughput) Η διαµετακοµιστική ικανότητα συνήθως εκφράζεται ως το πλήθος των bits που µπορούν να µεταφερθούν αξιόπιστα µέσα από το δίκτυο σε ένα συγκεκριµένο χρονικό διάστηµα. π.χ. ένα δίκτυο µε διαµετακοµιστική ικανότητα 10 Mbps περιµένουµε ότι θα µπορεί να µεταφέρει από άκρο σε άκρο, χωρίς σφάλµατα, 10 ¥ 220 bits στο χρόνο του ενός δευτερολέπτου.

°§ø™™∞ƒπ√ √ƒø¡

∆ίκτυο µεταγωγής (switched network) Ορίζεται εκείνο το σύνολο των διασυνδεδεµένων κόµβων όπου µερικοί κόµβοι, οι οποίοι ονοµάζονται µεταγωγείς, είναι εξοπλισµένοι µε δύο ή περισσότερους συνδέσµους και µία κύρια λειτουργία τους είναι η προώθηση των δεδοµένων που λαµβάνουν από ένα σύνδεσµό τους σ’ έναν άλλο. Έτσι, µε τη συνεργασία των µεταγωγών, µπορούµε έµµεσα να διασυνδέσουµε αποµακρυσµένους κόµβους. Έλεγχος Κυκλικού Πλεονασµού (Cyclic Redundancy Check, CRC) Είναι ένας µηχανισµός εντοπισµού σφαλµάτων µεταφοράς, ο οποίος υλοποιείται επισυνάπτοντας κάποια επιπρόσθετα bits µετά από τα µεταφερόµενα δεδοµένα. Το πλήθος των επιπρόσθετων bits είναι πολύ µικρό, συγκρινόµενο µε το πλήθος των bits δεδοµένων και η τιµή τους προκύπτει ως το υπόλοιπο της διαίρεσης των bits δεδοµένων δια µίας προκαθορισµένης ακολουθίας bits. Έλεγχος Λογικής Σύνδεσης (Logical Link Control, LLC) Είναι το ανώτερο από τα δύο επίπεδα στα οποία χωρίζεται το επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων, σύµφωνα µε το πρότυπο IEEE 802 και υλοποιεί τις υπηρεσίες µετάδοσης πλαισίων µεταξύ των κόµβων του τοπικού δικτύου. Έλεγχος Προσπέλασης Μέσων (Media Access Control, MAC) Είναι το κατώτερο από τα δύο επίπεδα στα οποία χωρίζεται το επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων, σύµφωνα µε το πρότυπο IEEE 802. Οι λειτουργίες του επιπέδου MAC ρυθµίζουν την προσπέλαση στον κοινό σύνδεσµο πολλαπλής πρόσβασης. Για κάθε συνοµιλία µεταξύ δύο κόµβων στο τοπικό δίκτυο, ο Έλεγχος Προσπέλασης Μέσων υλοποιεί έναν ιδεατό σύνδεσµο σηµείου µε σηµείο µεταξύ των ενδιαφεροµένων µερών. Ενθυλάκωση (encapsulation) Είναι µία λειτουργία που εκτελείται κατά τη µετάδοση δεδοµένων από ένα υψηλότερο επίπεδο σε ένα χαµηλότερο επίπεδο µίας αρχιτεκτονικής δικτύου. Τα πακέτα του υψηλότερου επιπέδου περιβάλλονται από πληροφορίες ελέγχου που είναι απαραίτητες για την επικοινωνία των οµότιµων οντοτήτων. Έτσι, τα πακέτα των χαµηλότερων επιπέδων εµπλουτίζονται µε µία επικεφαλίδα ή και µε µία ουρά ελέγχου ανά επίπεδο, οι οποίες αφαιρούνται σταδιακά κατά την αντίστροφη διαδικασία που εκτελείται στο άκρο του παραλήπτη.

225

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

226

Επιβεβαίωση λήψης (ACK) Είναι ένα πλαίσιο ελέγχου, το οποίο αποστέλλει ο παραλήπτης κόµβος στον αποστολέα για να τον ενηµερώσει ότι παρέλαβε, χωρίς σφάλµατα, το πλαίσιο που του έστειλε. Μερικές φορές, είναι δυνατή η εµβόλιµη επιβεβαίωση λήψης, η οποία προσαρτάται στην επικεφαλίδα ενός πλαισίου δεδοµένων που µεταδίδεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Επίπεδο ∆ικτύου (Network Layer) Στο Επίπεδο ∆ικτύου του µοντέλου OSI καθορίζεται ο τρόπος δροµολόγησης των πακέτων από τον αποστολέα στον παραλήπτη και ο έλεγχος συµφόρησης του δικτύου, ενώ ταυτόχρονα υλοποιείται και το σχήµα διευθυνσιοδότησης του δικτύου. Επίπεδο Εφαρµογής (Application Layer) Το Επίπεδο Εφαρµογής του µοντέλου OSI παρέχει ένα σύνολο δικτυακών υπηρεσιών στις τελικές εφαρµογές των χρηστών (όπως π.χ. το ηλεκτρονικό ταχυδροµείο, η µεταφορά αρχείων, η προσοµοίωση τερµατικού, η σύνδεση σε αποµακρυσµένους σταθµούς εργασίας, κ.ά.). Επίπεδο Μεταφοράς (Transport Layer) Στο Επίπεδο Μεταφοράς του µοντέλου OSI ελέγχεται η από άκρο σε άκρο επικοινωνία µεταξύ των τερµατικών κόµβων. Συγκεκριµένα, υλοποιείται το κανάλι επικοινωνίας, ελέγχεται η αξιόπιστη µεταφορά των µηνυµάτων στον προορισµό τους, εκτελούνται οι λειτουργίες της πολυπλεξίας στις περιπτώσεις όπου περισσότερα από ένα διαφορετικά µηνύµατα χρησιµοποιούν το ίδιο κανάλι επικοινωνίας ή όπου ένα µήνυµα µπορεί να χρησιµοποιήσει περισσότερα από ένα κανάλια επικοινωνίας µεταξύ του αποστολέα και του προορισµού και τέλος διενεργείται και ο έλεγχος της ροής των δεδοµένων µεταξύ των τερµατικών κόµβων. Επίπεδο Παρουσίασης (Presentation Layer) Το Επίπεδο Παρουσίασης του µοντέλου OSI ασχολείται µε την αναπαράσταση των δεδοµένων και έχει ως κύρια λειτουργία την εξασφάλιση της αναγνωσιµότητάς τους, ακόµα και µεταξύ κόµβων που χρησιµοποιούν διαφορετικές µορφές αναπαράστασης της πληροφορίας. Επίσης, σ’ αυτό το Επίπεδο συµφωνείται η τεχνική συµπίεσης δεδοµένων και το σχήµα κρυπτογράφησης της πληροφορίας που θα ακολουθούν ο αποστολέας και ο παραλήπτης κόµβος.

°§ø™™∞ƒπ√ √ƒø¡

Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων (Data Link Layer) Οι λειτουργίες που εκτελούνται στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων µπορούν να µας εξασφαλίσουν την αξιόπιστη µεταφορά των δεδοµένων πάνω από τα φυσικά µέσα και να ελέγξουν τη ροή δεδοµένων µεταξύ δύο κόµβων, έτσι ώστε να µην στέλνονται περισσότερα δεδοµένα από αυτά που µπορεί να δεχτεί ο κόµβος προορισµού. Επιπλέον, σ’ αυτό το επίπεδο του µοντέλου OSI υλοποιείται και το σχήµα διευθυνσιοδότησης, που ενδέχεται να υποστηρίζει το φυσικό µέσο µετάδοσης. Επίπεδο Συνόδου (Session Layer) Στο Επίπεδο Συνόδου διενεργούνται όλες οι απαραίτητες λειτουργίες για την εγκαθίδρυση, την επίβλεψη και τον τερµατισµό των συνόδων (sessions) µεταξύ των τελικών εφαρµογών. Επίσης, από αυτό το επίπεδο του µοντέλου OSI προσφέρεται και η υπηρεσία συγχρονισµού, η οποία χαρακτηρίζεται εξαιρετικά χρήσιµη για την αποτελεσµατική αντιµετώπιση καταστάσεων κατάρρευσης της σύνδεσης. Ιδεατό τοπικό δίκτυο (Virtual LAN, VLAN) Το VLAN καλύπτει την ανάγκη δηµιουργίας πολλαπλών και ανεξάρτητων περιοχών καθολικής εκποµπής µεταξύ των κόµβων ενός εκτεταµένου τοπικού δικτύου, ανεξάρτητα από τη φυσική τους θέση. Με τα VLAN επιτυγχάνουµε την οµαδοποίηση των χρηστών σε οµοειδή λειτουργικά σύνολα. Καθυστέρηση µεταφοράς Εκφράζει το χρονικό διάστηµα που απαιτείται για να µεταφερθεί ένα bit από ένα άκρο του δικτύου σε ένα άλλο άκρο και ισούται µε το άθροισµα τριών όρων: (α) του χρόνου διάδοσης, (β) του χρόνου µετάδοσης και (γ) του χρόνου αναµονής στην ουρά των ενδιάµεσων µεταγωγών. Κώδικας δέσµης (n, k) Είναι ένας κώδικας διόρθωσης σφαλµάτων, στον οποίο η κωδική λέξη (µήκους n bits) δηµιουργείται από την αλληλουχία της αρχικής ακολουθίας δεδοµένων (µήκους k bits) µε µία ακολουθία από bits ελέγχου (µήκους n – k bits). Οι τιµές των bits ελέγχου εξαρτώνται µόνο από τις τιµές των bits δεδοµένων. Το σύνολο των 2k έγκυρων κωδικών λέξεων ονοµάζεται σύστηµα κωδικοποίησης ή κώδικας δέσµης (n, k) και είναι υποσύνολο των 2n διαφορετικών στοιχείων µήκους n bits.

227

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

228

Κώδικες διόρθωσης σφαλµάτων (Error Correction Codes, ECC) Είναι µία οικογένεια τεχνικών αντιµετώπισης των σφαλµάτων µεταφοράς, σύµφωνα µε τις οποίες το πλαίσιο, κατά τη σύνθεσή του στον αποστολέα κόµβο, εφοδιάζεται µε επιπρόσθετη πληροφορία ικανή για τον εντοπισµό και τη διόρθωση ενός µέρους από τα πιθανά σφάλµατα µεταφοράς. Αυτή η διόρθωση εκτελείται κατά την άφιξη των πλαισίων στον παραλήπτη κόµβο. Μεταγωγέας Ethernet (Ethernet switch) Είναι µία συσκευή εξοπλισµένη µε πολλές θύρες, η οποία διαθέτει τη δυνατότητα µετάδοσης περισσοτέρων του ενός πλαισίων ανά χρονική στιγµή. Χρησιµοποιείται για τη δηµιουργία πολλαπλών περιοχών συγκρούσεων στο τοπικό δίκτυο, η οποία οδηγεί σε βελτίωση της απόδοσής του σε σχέση µε την υλοποίηση που βασίζεται σε συγκεντρωτή. Μεταγωγή κυκλώµατος (circuit switching) Στη µεταγωγή κυκλώµατος, η µετάδοση δεδοµένων είναι εφικτή µόνο µετά την εγκαθίδρυση µιας φυσικής ζεύξης – κυκλώµατος µεταξύ των δύο ενδιαφεροµένων κόµβων. Η διαδροµή και το απαιτούµενο εύρος ζώνης δεσµεύονται για την εξυπηρέτηση της συγκεκριµένης κλήσης και παραµένουν σταθερά καθόλη τη διάρκειά της, ενώ αποδεσµεύονται µε το πέρας αυτής. Η µετάδοση των δεδοµένων είναι διαφανής, δηλαδή δεν υποβάλλονται σε καµία επεξεργασία κατά τη διέλευσή τους από το δίκτυο. Μεταγωγή µε αυτοδύναµα πακέτα (datagrams) Είναι εκείνη η τεχνική µεταγωγής πακέτων όπου οι µεταγωγείς του δικτύου επιλέγουν το σύνδεσµο επαναπροώθησης σε κάθε πακέτο της ροής δεδοµένων ξεχωριστά. Έτσι, τα πακέτα µιας ροής δεδοµένων µπορούν να ακολουθήσουν διαφορετικές διαδροµές κατά τη µεταφορά τους από τον αποστολέα στον παραλήπτη κόµβο. Μεταγωγή πακέτων (packet switching) Είναι µία µέθοδος δικτύωσης όπου τα δεδοµένα κατακερµατίζονται σε µικρότερα τµήµατα πριν από τη µετάδοσή τους. Αυτά τα τµήµατα δεδοµένων τα ονοµάζουµε πακέτα. Στον κόµβο προορισµού, τα αρχικά δεδοµένα επανασυνθέτονται από τα ληφθέντα πακέτα.

°§ø™™∞ƒπ√ √ƒø¡

Μεταγωγή πακέτων µε ιδεατά κυκλώµατα Είναι εκείνη η τεχνική µεταγωγής πακέτων όπου οι µεταγωγείς του δικτύου δροµολογούν τα πακέτα µιας ροής δεδοµένων από τον ίδιο πάντα σύνδεσµο εξόδου. Έτσι, όλα τα πακέτα µιας ροής δεδοµένων ακολουθούν πάντα την ίδια διαδροµή κατά τη µεταφορά τους από τον αποστολέα στον παραλήπτη κόµβο. Μετάδοση µε αποθήκευση – και – προώθηση Είναι µία τεχνική που ακολουθείται στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων και είναι συνήθως εξαιρετικά αποδοτική ως προς το συνολικό χρόνο µετάδοσης της πληροφορίας. Σύµφωνα µ’ αυτήν την τεχνική, όταν ένας κόµβος λαµβάνει δεδοµένα από κάποιον σύνδεσµο, τα αποθηκεύει στην προσωρινή του µνήµη, µέχρις ότου αυτά να σχηµατίσουν ένα πλήρες πακέτο και στη συνέχεια προωθεί αυτό το πακέτο προς το σύνδεσµο εξόδου. Μοντέλο αναφοράς OSI Ο ∆ιεθνής Οργανισµός Τυποποίησης έχει διατυπώσει µία σειρά από οδηγίες και συστάσεις για την ανταλλαγή πληροφοριών σε δίκτυα υπολογιστών, οι οποίες συνθέτουν το µοντέλο αναφοράς OSI. Το µοντέλο αυτό αποτελείται από επτά ανεξάρτητα επίπεδα και προσδιορίζει τις λειτουργίες του κάθε επιπέδου και τις σχέσεις ανάµεσά τους. Το µοντέλο αναφοράς OSI δεν αποτελεί µία αρχιτεκτονική δικτύου, καθώς δεν καθορίζει τα αναγκαία πρωτόκολλα και τα σηµεία επαφής τους. Πέρασµα κουπονιού Είναι ένα µηχανισµός για τον έλεγχο προσπέλασης στο φυσικό µέσο, που βασίζεται στην ύπαρξη ενός ειδικού πλαισίου στο δίκτυο που ονοµάζεται κουπόνι. Το κουπόνι µεταφέρεται συνεχώς από κόµβο σε κόµβο του δικτύου και δεσµεύεται διαδοχικά από κάθε κόµβο. Ένας κόµβος µπορεί να µεταδώσει δεδοµένα µόνο όταν έχει δεσµεύσει το κουπόνι του δικτύου. Πίνακας Τυπικής ∆ιάταξης Ο Πίνακας Τυπικής ∆ιάταξης χρησιµοποιείται για τη διόρθωση των σφαλµάτων µεταφοράς. Η λειτουργία αυτή βασίζεται στην ιδιότητα της µοναδικής αντιστοίχησης κάθε δυνατής εισερχόµενης ακολουθίας bits σε µία έγκυρη κωδική λέξη. Συγκεκριµένα, για ένα γραµµικό κώδικα δέσµης (n, k), ο Πίνακας Τυπικής ∆ιάταξης απεικονίζει έναν πιθανό διαµοιρασµό των 2n n – άδων σε 2k µη επικαλυπτόµενες οµάδες, έτσι ώστε κάθε έγκυρη κωδική λέξη να ανήκει µόνο σε µία από αυτές τις οµάδες.

229

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

230

Πλαισίωση Τα προς µετάδοση bits, που εισέρχονται στο Φυσικό Επίπεδο του αποστολέα κόµβου, είναι οµαδοποιηµένα σε λογικές ενότητες που καλούνται πλαίσια. Κάθε πλαίσιο είναι εξοπλισµένο µε διάφορες πληροφορίες ελέγχου. Η διαδικασία σύνθεσης των πλαισίων εκτελείται στο Επίπεδο Σύνδεσης ∆εδοµένων του µοντέλου OSI και ονοµάζεται πλαισίωση. Πολύπλεξη χρόνου (Time Division Multiplexing, TDM) Είναι µία µέθοδος διαµοιρασµού των ενδιάµεσων συνδέσµων ενός δικτύου, όπου ο χρόνος µοιράζεται σε πολύ µικρά στοιχειώδη τµήµατα και η εξυπηρέτηση των κόµβων γίνεται κυκλικά, δεσµεύοντας εκ των προτέρων ένα ή περισσότερα στοιχειώδη τµήµατα χρόνου για κάθε κόµβο ανά κύκλο εξυπηρέτησης. Προσθήκη bits (bit stuffing) Είναι µία τεχνική που χρησιµοποιείται στα πρωτόκολλα πλαισίωσης όπου το πλαίσιο θεωρείται ως ένα σύνολο από bits και καλείται να αντιµετωπίσει την ανεπιθύµητη εµφάνιση κάποιων ειδικών ακολουθιών bits µέσα στα δεδοµένα του πλαισίου. Πρωτόκολλο εναλλασσοµένου bit (Alternating Bit Protocol, ABP) Είναι ένα πρωτόκολλο επανεκποµπής, που βασίζεται στην πρακτική της παύσης και αναµονής. Έτσι, µόλις ο αποστολέας µεταδώσει ένα πλαίσιο, περιµένει την επιβεβαίωση λήψης από τον παραλήπτη πριν προχωρήσει στην αποστολή του επόµενου πλαισίου. Εάν αυτή η επιβεβαίωση δεν φτάσει µέσα στον προσυµφωνηµένο χρόνο προθεσµίας, τότε µεταδίδει ξανά το πλαίσιο. Πρωτόκολλο επιλεκτικής επανάληψης (Selective Repeat Protocol, SRP) Είναι ένα πρωτόκολλο επανεκποµπής που, όπως και το GBN, επιτρέπει στον αποστολέα να έχει περισσότερα του ενός ανεπιβεβαίωτα πλαίσια υπό µεταφορά. Η διαφορά τους είναι ότι ο παραλήπτης αποθηκεύει προσωρινά τα πλαίσια που λαµβάνει εκτός σειράς και έτσι ο αποστολέας χρειάζεται να επαναµεταδώσει µόνο το πλαίσιο που δεν επιβεβαιώθηκε εµπρόθεσµα. Πρωτόκολλο οπισθοχώρησης κατά Ν (Go Back N, GBN) Είναι ένα πρωτόκολλο επανεκποµπής που επιτρέπει στον αποστολέα να έχει περισσότερα του ενός ανεπιβεβαίωτα πλαίσια υπό µεταφορά. Ο παραλήπτης

°§ø™™∞ƒπ√ √ƒø¡

απορρίπτει τα πλαίσια που λαµβάνει εκτός σειράς και επιβεβαιώνει τα σωστά ληφθέντα πλαίσια. Εάν ο αποστολέας δε λάβει µία επιβεβαίωση λήψης εντός της προθεσµίας, τότε µεταδίδει το αντίστοιχο παράθυρο µε πλαίσιο έναρξης το ανεπιβεβαίωτο πλαίσιο του οποίου έληξε ο χρόνος προθεσµίας. Στατιστική πολύπλεξη (statistical multiplexing) Είναι µία µέθοδος αποδοτικού διαµοιρασµού ενός καναλιού / µέσου µετάδοσης που εφαρµόζεται στα δίκτυα µεταγωγής πακέτων. Σύµφωνα µ’ αυτήν, όλα τα εισερχόµενα πακέτα ενός µεταγωγέα αποθηκεύονται σ’ έναν ή περισσότερους προσωρινούς ενταµιευτές. Ο µεταγωγέας, σύµφωνα µε µία προκαθορισµένη πολιτική εξυπηρέτησης, επιλέγει από τον ενταµιευτή εκείνο το πακέτο το οποίο θα µεταφέρει προς µετάδοση στο διαµοιραζόµενο σύνδεσµο. Συνεχής διοχέτευση (pipelining) Είναι εκείνη η κατάσταση λειτουργίας κατά την οποία επιτρέπεται στον αποστολέα να µεταδίδει συνεχώς πλαίσια δεδοµένων, µέχρις ότου λάβει το πρώτο πλαίσιο επιβεβαίωσης, επιτυγχάνοντας έτσι αύξηση της απόδοσης ενός πρωτοκόλλου επανεκποµπής σε σχέση µε τη µέθοδο παύσης και αναµονής. Τοπικό δίκτυο (Local Area Network, LAN) Ορίζεται το σύνολο των διασυνδεδεµένων υπολογιστών που εκτείνονται σε σχετικά µικρή περιοχή (π.χ. στα όρια ενός κτιρίου ή γειτονικών κτιρίων). Φυσικό Επίπεδο (Physical Layer) Είναι το χαµηλότερο επίπεδο στο µοντέλο αναφοράς OSI, στο οποίο καθορίζονται οι ηλεκτρικές, µηχανικές και λειτουργικές προδιαγραφές για τη µετάδοση των δεδοµένων πάνω από ένα φυσικό µέσο, όπως π.χ. η οπτική ίνα, το οµοαξονικό καλώδιο, η µικροκυµατική ζεύξη, κ.ά. Χρόνος διάδοσης Είναι ο απαιτούµενος χρόνος για να διαδοθεί ένα bit διαµέσου των φυσικών µέσων που συνθέτουν την από άκρο – σε – άκρο διαδροµή και έχει ως κάτω φράγµα το πηλίκο της απόστασης των δύο άκρων δια την ταχύτητα διάδοσης του φωτός.

231

¢ I K T YA Y ¶ O § O ° I ™ T ø N I

232

Χρόνος µετάδοσης Για µία συγκεκριµένη από άκρο σε άκρο διαδροµή του δικτύου, ο χρόνος µετάδοσής της ισούται µε τον αντίστροφο της αντίστοιχης διαµετακοµιστικής ικανότητας της διαδροµής, π.χ. σε µία διαδροµή δικτύου µε διαµετακοµιστική ικανότητα 10 Mbps = 10 ¥ 220 bps, ο χρόνος µετάδοσης ενός bit θα είναι κάτι λιγότερο από 0,1 µsec.