HY-335 : Δίκτυα Υπολογιστών

1. W N O net works E R T K HY-335 : Δίκτυα Υπολογιστών Μαρία Παπαδοπούλη Τμήμα Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστήμιο Κρήτης Χειμερινό εξάμηνο 2009-2010

2. Εισαγωγή • Διαδικαστικά • Ανασκόπηση • Βασικές έννοιες

3. HY-335 Δίκτυα Υπολογιστών • Διδάσκων: Παπαδοπούλη Μαρία email: maria@csd.uoc.gr, mgp@ics.forth.gr • Βοηθοί:Μακρογιαννάκης Αντώνης, Μελισσάρης Χαρίτωνας, Παπακωνσταντίνου Άρτεμις, Νίκος Παπάς, Μανόλης Πλουμίδης, Τσομπανίδης Ηλίας, Γιώργος Φορτετσανάκης, Παύλος Χαραλαμπίδης. • Διαλέξεις: Τετάρτη 9-11 Θ202 & Πέμπτη, 7-9 αμφιθέατρο Γ • Σελίδα: http://www.csd.uoc.gr/~hy335a • Ηλεκτρονικήλίστα: hy335a-list@csd.uoc.gr

4. HY-335 Δίκτυα Υπολογιστών (διαδικαστικά) • Προαπαιτούμενο: ΗΥ-118 (Διακριτά Μαθηματικά) • Βιβλία: • Δικτύωση Υπολογιστών Προσέγγιση από Πάνω προς τα Κάτω με Έμφαση στο Διαδίκτυο: Jim Kurose, Keith Ross, 2η έκδοση, Addison-Wesley, 2002. A Top Down Approach Featuring the Internet • Δίκτυα Επικοινωνιών (Communication Networks), J. Walrand, Β’ έκδοση μετάφραση: Λ. Μεράκος & Ι. Σταυρακάκης • 1Πρόοδος + 3 απλά quiz+ 1 project (implementation/measurements) Ηαντιγραφή απαγορεύεται αυστηρά και θα μηδενίζεται • Βαθμός=max {0.2*Πρόοδος+0.2*(3quiz)+ 0.1*(1 project) + 0.5*Τελικό, Τελικός}

5. Πληροφορίες μαθήματος • Εισαγωγικό(πρώτο) μάθημα στα δίκτυα • Για ποιον είναι αυτό το μάθημα; Προτυχιακούς φοιτητές • Τρόπος μαθήματος: παρουσίαση slides, ερωτήσεις, συζήτηση Απαγορεύεται η χρήση κινητών, laptop και το κάπνισμα εντός της τάξης Ακαδημαϊκή ειλικρίνεια Ερωτήσεις, σχόλια;

6. Σκοπός • Εκμάθηση βασικών • Αρχών σχεδίασης • Πρωτοκόλλων • Εφαρμογών • Αρχιτεκτονικών • Όχι μόνο “πώς” λειτουργούν τα δίκτυα υπολογιστών, αλλά και “γιατί” λειτουργούν με τον συγκεκριμένο τρόπο • Κατανόηση δικτύων με πρακτική άσκηση, φροντιστήρια/εργαστήρια

7. Ύλη μαθήματος: θέματα που καλύπτοντα • Δικτυακές αρχιτεκτονικές • Εφαρμογές δικτύων • Διεπαφές προγραμματισμού δικτύων (π.χ., sockets) • Μεταφορά δεδομένων • Συμφόρηση δικτύων • Δρομολόγηση • Πρωτόκολλα ξεύξης δεδομένων • Διευθυνσιοδότηση • Τοπικά δίκτυα • Ασύρματα δίκτυα • Ασφάλεια δικτύων • Διαχείριση δικτύων

8. Περιεχόμενα • Εισαγωγή στα δίκτυα επικοινωνιών και στις υπηρεσίες που παρέχουν (~2 εβδομάδες) • Φυσικό επίπεδο (~1.5 εβδομάδα) • Επίπεδο σύνδεσης δεδομένων (~2 εβδομάδες) • Τοπικά δίκτυα (~3 εβδομάδες) • Επίπεδο δικτύου και μεταφοράς (~2 εβδομάδες) • Υψηλότερα επίπεδα (~1 εβδομάδα) • Νέες τάσεις και προχωρημένα θέματα (~1 εβδομάδα)

9. Σύντομο βιογραφικό διδάσκουσας • Ερευνητικά ενδιαφέροντα: ασύρματα δίκτυα, κινητά υπολογιστικά συστήματα, πρωτότυπες εφαρμογές, μελέτη απόδοσης δικτύων, συστήματα εύρεσης θέσης, “ έξυπνοι χώροι”, δίκτυα αισθητήρων, … • Επίκουρη καθηγήτρια στο τμ. Επιστήμης Υπολογιστών Πανεπιστημίου Κρήτης (2005-) • Επίκουρη καθηγήτρια στο τμ. Επιστήμης Υπολογιστών, University of North Carolina (2002-2004) • Διδακτορικό στο τμ. Επιστήμης Υπολογιστών, Columbia University, (2002) Ph.D. Thesis on Mobile Peer-to-Peer systems Advisor: Prof. Henning Schulzrinne • Προπτυχιακές σπουδές στο τμ. Επιστήμης Υπολογιστών,Πανεπιστήμιο Κρήτης

10. Παραδείγματα Δικτύων • Αερομεταφορών • Βιολογικά • Κοινωνικά • Ερευνητών • Υπολογιστών

11. Δίκτυα αερομεταφορών

12. Δίκτυα Ερευνητών Slide from Constantine Dovrolis’s lecture (net-science-overview)

13. High school dating: Data drawn from Peter S. Bearman, James Moody, and Katherine Stovel visualized by Mark Newman Slide from Constantine Dovrolis’s lecture (net-science-overview)

14. C. elegans neuronal net Slide from Constantine Dovrolis’s lecture (net-science-overview)

15. Απο το www.grnet.gr

16. H διεθνής διασύνδεση του ΕΔΕΤ στο Πανευρωπαϊκό Δίκτυο GEANT αναβαθμίστηκε το 2006 σε 2x10Gbps Ολοι οι κόμβοι βασίζονται σε δρομολογητές ταχυτήτων Gbps και διασυνδέονται μεταξύ τους με ένα δίκτυο ταχυτήτων 2.5Gbps από τον ΟΤΕ

17. Showing the major Internet Service Providers (ISPs)

18. Γνωστές διαδικτυακές συσκευές Δικτυακή κορνίζα www.ceiva.com Διαδικτυακή τοστιέρα που κάνει πρόγνωση καιρού Διαδικτυακά τηλέφωνα Ο μικρότερος εξυπηρετητής του κόσμου http://www-ccs.cs.umass.edu/~shri/iPic.html

19. Thanks to David Miller from AT&T

20. Info “Half-Life” & “Inconvenience Threshold” Thanks to David Miller from AT&T

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

22. Διαδίκτυο/ευρυζωνικό δίκτυο(broadband) μία από τις πιο γρήγορες εφαρμογέςπου εισάχθηκαν ποτέ

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

24. Δίκτυο Πανεπιστημίου Κρήτης

25. Μηνιαία στατιστικά στοιχεία (δρομολογητή)

26. Τι είναι ένα Δίκτυο Επικοινωνίας; • Σύνολο κόμβων που διασυνδέονται με σκοπό • την ανταλλαγή πληροφορίας • την παροχή μιας υπηρεσίας • την συνεργασία μεταξύ συσκευών/χρηστών

27. Πώς να ζωγραφίσομε ένα δίκτυο • Πολλές ερωτήσεις: • Μέσω ποιάς τεχνολογίας πραγματοποιείται η επικοινωνία ? • Τι ακριβώς είναι η ζεύξη? • Πώς στέλνομε δεδομένα? • Πότε μιλάμε? Σε τι “format”στέλνομε τα δεδομένα?

28. Τι είναι ένα δίκτυο; • Συλλογή από κόμβους και ζεύξεις που τους συνδέουν • Αυτό είναι αόριστο. Γιατί; Θεωρείστε διαφορετικά δίκτυα: • Διαδίκτυο • Τηλεφωνικό δίκτυο • Το σπίτι σας • Κινητά τηλέφωνα • Δίκτυα αισθητήρων • Επικεντρωνόμαστε στο διαδίκτυο λαμβάνοντας υπόψιν και τα κοινά σημεία με τα άλλα δίκτυα

29. Δίκτυα ως γράφοι  1 2 3 4 5 6 2.5 12.7 7.3 3.3 5.4 8.1 2.5 Vertex-Weighted Edge-Weighted • Τα δίκτυα μπορούν να αναπαρασταθούν ως κατευθυνόμενοι ή μη-κατευθυνόμενοι γράφοι: όταν δύο κόμβοι μπορούν να επικοινωνήσουν άμεσα (δίχως τη βοήθεια κάποιου τρίτου), ενώνονται με μία ακμή • Οι κόμβοι και οι ακμές μπορούν να αποκτήσουν ένα βάρος που θα «ποσοτικοποιήσει» μία παράμετρο που σχετίζεται με τους κόμβους ή τη μεταξύ τους επικοινωνία

30. κυκλικοί γράφοι (βρόχοι) Δίκτυα ως γράφοι (συνέχεια) • Ένα δίκτυο μπορεί να είναι συνδεδεμένο (απεικονίζεται ως ένα ενιαίο τμήμα) ή αποσυνδεδεμένο(απεικονίζεται με αρκετά ασύνδετα τμήματα). συνδεδεμένο αποσυνδεδεμένο • Δίκτυα χωρίς βρόχους αποκαλούνται δέντρα. Όσο περισσότερους βρόχους έχει κάποιο δίκτυο, τόσο πολυπλοκότερο είναι. δέντρα

31. Γραμμικός Αστέρας Κυκλικός Πλήρης Γράφος Διμερής Γράφος (Bipartite Graph) Δίκτυα ως γράφοι (συνέχεια) Μερικοί βασικοί τύποι γράφων Bonchev

32. Τι είναι το Διαδίκτυο; • Ένας τρόπος για ηλεκτρονικούς υπολογιστές με διαφορετικά λειτουργικά συστήματα που βρίσκονται σε διαφορετικές ηπείρους να επικοινωνήσουν ... • Δύο τρόποι περιγραφής του διαδικτύου: • Μέσω των στοιχείωνπου το συνθέτουν: Ποιά είναι τα ηλεκτρομηχανολογικά και λογισμικά μέρη του; • Μέσω των υπηρεσιών του: Τι υπηρεσίες παρέχει στις διάφορες εφαρμογές;

33. Στοιχεία που το συνθέτουν το Διαδίκτυο • Εκατομμύρια συνδεδεμένων υπολογιστικών συσκευώντερματικά συστήματα(hosts) π.χ. Υπολογιστές,σταθμοί εργασίας,εξυπηρετητές,PDAs, τηλέφωνα • Τρέχουν εφαρμογές διαδικτύου • Ζεύξεις επικοινωνίας πχ Οπτικές,γραμμές χαλκού, ραδιοκυμματικές,δορυφορικές Μεταδίδουν σε διαφορετικούς ρυθμούς(bandwidths) που μετρώνται σε bits/sec

34. Στοιχεία που συνθέτουν το Διαδίκτυο Internet Service Provider (ISP) Σύνολο από κόμβους οι οποίοι διασυνδέονται για την ανταλλαγή πληροφορίας

35. Βασικά δομικά στοιχεία ενός δικτύου • Κόμβοι:υπολογιστές, εξειδικευμένες συσκευές … • Σταθμοί (τερματικά συστήματα) • Δρομολογητές (μεταγωγείς) Οι κόμβοι τρέχουνπρωτόκολλα • Πρωτόκολλα δικτύων: ορίζουν τους κανόνες επικοινωνίας (format) και ελέγχουν την ανταλλαγή δεδομένων

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

37. Τι είναι δίκτυο επικοινωνίας; Ένα δίκτυο μπορεί να οριστεί αναδρομικά ως

38. Στοιχεία που συνθέτουν το Διαδίκτυο • Δρομολογητές: προωθούν πακέτα (ομάδες)από δεδομένα μέσω του δικτύου • Πρωτόκολλα: Περιγράφουν την αποστολή,παραλαβή μηνυμάτων, τρόπο επικοινωνίας • TCP,IP,HTTP,FTP, RTSP, RTP, SIP • Διαδίκτυο: “δίκτυο από δίκτυα” • Χαλαρά ιεραρχημένο • Internet Service Providers-ISPs • Δημόσιο Διαδίκτυο-ιδιωτικό • Διαδικασία για δημιουργία πρότυπων Διαδικτύου: • RFC : Request for Comments • IETF : Internet Engineering Task Force

39. Παρεχόμενες υπηρεσίες στο Διαδίκτυο • Υποδομή επικοινωνιών που καθιστά δυνατές κατανεμμημένες εφαρμογές που τρέχουν στα τερματικά συστήματα να επικοινωνούν μεταξύ τους • Web • Email • Remote login • Instant messaging • Audio & video streaming • Games • On-line communities • Peer-to-Peer systems

40. Τύποι υπηρεσιών που παρέχονται από το Διαδίκτυο • Με σύνδεση(connection-oriented) • Εγγυάταιότι τα δεδομένα που μεταδίδονται από τον αποστολέα στον παραλήπτη θα φτάσουν τελικά • Χωρίς σύνδεση(connectionless) • Δεν εγγυάται ότι τα δεδομένα θα φτάσουν στον προορισμό τους • Οι κατανεμημένες εφαρμογές συνήθως χρησιμοποιούν ή τη μία είτε την άλλη  Πολύ δύσκολο για μία υπηρεσία να υποσχεθεί την ακριβή ώραπου θα χρειαστεί για την παράδοση των δεδομένων

41. Πρωτόκολλα Διαδικτύου • Τα πρωτόκολλα στην καθημερινή ζωήαποτελούν κανόνες με τους οποίους δύο ή περισσότερα άτομα επικοινωνούν για ναπαρέχουν μία υπηρεσία ή να διεκπεραιώσουν μια εργασία • Ένα πρωτόκολλο είναι ένα σύνολο κανόνων με τους οποίους τα ενεργά στοιχεία του δικτύου (εφαρμογές, τερματικά συστήματα, δρομολογητές) επικοινωνούν μεταξύ τους και καθορίζουν: • Τη μορφήκαι τη σειρά των μηνυμάτωνπου θα ανταλλαχθούν • Τις ενέργειεςπου θα πραγματοποιηθούν με τη λήψη ενός μηνύματος Κάθε επικοινωνία στο Διαδίκτυο καθορίζεται από πρωτόκολλα

42. Τι είναι το πρωτόκολλο;

43. Παραδείγματα πρωτοκόλλων στο διαδίκτυο • Τα πρωτόκολλα στους δρομολογητές καθορίζουν τηδιαδρομή των πακέτων από τον αποστολέα στον παραλήπτη • Τα πρωτόκολλα ελέγχου συμφόρησης ελέγχουν το ρυθμό με τον οποίοτα πακέτα στέλνονται μεταξύ του αποστολέα και του παραλήπτη • Τα πρωτόκολλα του «φυσικού μέσου» ελέγχουν τη ροή των bits στη γραμμή που ενώνει δύο φυσικά συνδεδεμένουςυπολογιστές • Τα πρωτόκολλα στο MACενός broadcast ασύρματου μέσου καθορίζουν πότε η συσκευή θα μεταδώσει

44. Στόχοι στο σχεδιασμό δικτύων • Αποτελεσματικότηταστη χρήση των πόρων,κόστος • Αποτελεσματικότητα στην παροχή υπηρεσιών • Ευρωστία (robustness) • Αμεσότητα, αποτελεσματικότητα στην αντιμετώπιση προβλημάτων (fault-tolerance) • Δυνατότηταεξέλιξης(scalability/expansion) • Δυνατότητα διαχείρησης • Ασφάλεια (security) • Ευκολία στην δημιουργία/ανάπτυξη/υοθέτησηχρήσιμων εφαρμογών/υπηρεσιών • Δυνατότητα προσαρμογής (adaptivity)

45. Γιατί χρειαζόμαστε δίκτυα επικοινωνίας;

46. Γιατί χρειαζόμαστε δίκτυα επικοινωνίας; Αποδοτική αξιοποίηση δικτυακής υποδομής

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

48. Τύποι δικτύων υπολογιστών με βάση το εύρος κάλυψης • Δίκτυα τοπικής περιοχής Local Area Networks (LAN) • Μικρή γεωγραφική κάλυψη, υψηλή ταχύτητα • Δίκτυα μητροπολιτικής περιοχής Metropolitan Area Networks (MAN) • Αστική κάλυψη, μέτριες έως υψηλές ταχύτητες • Δίκτυα ευρείας περιοχής Wide Area Networks (WAN) Ευρεία κάλυψη, μικρές έως μεσαίες ταχύτητες

49. Local Area Networks (LANs) Πλεονεκτήματα της “τοπικότητας”: Χαμηλότερο κόστος Μικρή απόσταση ταχύτερες ζεύξεις, χαμηλή λανθάνουσα καθυστέρηση (latency) Λιγότερο πιεστικό στοιχείο η αποδοτικότητα Ένας τομέας διαχείρισης (management domain) Λιγότερο πολύπλοκη διαχείριση, ασφάλεια & τιμολόγηση Μεγαλύτερη ομοιογένεια Παραδείγματα: Ethernet (IEEE802.3) Token ring, FDDI WiFi (IEEE802.11) Standard for LANs

50. Ethernet Αναπτύχθηκε αρχικά στο Xerox PARC μεταξύ1973-1975 Βασίστηκε στην ιδέα της επικοινωνίας υπολογιστών διαμέσου ενός μεριζόμενου ομοαξονικού καλωδίουπου λειτουργεί ως μέσο ευρυεκπομπικής μετάδοσης (broadcast transmission medium) Ethernet RJ45 connector