🔴Ε3 - Δίκτυα Η/Υ

3.1. Βασικές Έννοιες στα Δίκτυα Υπολογιστών

• Ένα δίκτυο είναι ένα σύστημα που συνδέει μεταξύ τους τοποθεσίες, αντικείμενα ή και ανθρώπους, προκειμένου να εξυπηρετήσουν κάποιο σκοπό.
• Κάθε είδος δικτύου χρειάζεται και τις δικές του δομές προκειμένου να επιτύχει την επιθυμητή διασύνδεση. Έτσι π.χ. το δίκτυο ηλεκτροδότησης χρειάζεται τους σταθμούς παραγωγής ενέργειας, τα ηλεκτροφόρα καλώδια μεταφοράς του ρεύματος, τα κέντρα διανομής και τις πρίζες στις οποίες συνδέονται οι ηλεκτρικές συσκευές. Αντίστοιχα στο τηλεφωνικό δίκτυο υπάρχουν οι τηλεφωνικές συσκευές, τα καλώδια μεταφοράς του σήματος και τα τηλεφωνικά κέντρα.
• Ένα δίκτυο υπολογιστών (computer network) ή απλά δίκτυο (network) αποτελείται από δύο ή περισσότερες υπολογιστικές συσκευές που συνδέονται μεταξύ τους προκειμένου να μπορούν να ανταλλάσσουν πληροφορίες.

Δομικά Στοιχεία ενός Δικτύου Υπολογιστών

Από τη σκοπιά του υλικού (hardware), οι συσκευές που συνδέονται σε ένα δίκτυο υπολογιστών ονομάζονται κόμβοι (nodes) του δικτύου. Σε αντιστοιχία με τα δίκτυα επικοινωνιών αυτοί μπορεί να είναι δύο ειδών: 

● Οι τερματικοί κόμβοι (terminal nodes) είναι αυτοί που παράγουν και δέχονται τις πληροφορίες που πρέπει να μεταδοθούν μέσα από το δίκτυο. 
Αναφέρονται πολλές φορές και σαν hosts και μπορεί να είναι κλασικοί υπολογιστές, έξυπνα τηλέφωνα (smartphones), υπολογιστές τύπου πινακίδας (tablets), αλλά και περισσότερο εξειδικευμένες συσκευές όπως εκτυπωτές, σαρωτές, κάμερες επιτήρησης (surveillance), έξυπνες τηλεοράσεις, παιχνιδομηχανές κ.α. 

● Οι επικοινωνιακοί κόμβοι (communication nodes) είναι οι κόμβοι που είναι υπεύθυνοι για τη σωστή μετάδοση των πληροφοριών, που παράγουν οι τερματικοί κόμβοι, στον προορισμό τους. Αυτοί μπορεί να είναι διαμορφωτές (modem) διανομείς (hubs), γέφυρες (bridges), δρομολογητές (routers), πολυπλέκτες (multiplexers) και άλλες συσκευές που εξαρτώνται από το είδος του δικτύου και τον τρόπο με τον οποίο μεταφέρει τα δεδομένα.

● Ενσύρματη σύνδεση (wired connection): Στην περίπτωση αυτή οι κόμβοι συνδέονται μέσω καλωδίων που κατά περίπτωση μπορεί να είναι χάλκινα (ή αλλιώς συνεστραμμένων ζευγών) καλώδια (twisted pair cables), ομοαξονικό καλώδιο (coaxial cable) ή οπτικές ίνες (fiber optics).

● Ασύρματη σύνδεση (wireless connection): Σε αυτήν την περίπτωση αξιοποιείται η δυνατότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας να διαδίδεται στο κενό, οπότε δεν χρειάζεται η ύπαρξη ενός φυσικού μέσου μετάδοσης. Στις συνδέσεις αυτές περιλαμβάνονται οι επίγειες συνδέσεις μικρότερης ή μεγαλύτερης εμβέλειας, αλλά και οι δορυφορικές συνδέσεις.

Πλεονεκτήματα ενός Δικτύου Υπολογιστών

● Διαμοιρασμός των ψηφιακών πόρων του συστήματος: Μέσω των δικτυακών συνδέσεων μπορεί να δοθεί πρόσβαση σε φακέλους, αρχεία, και προγράμματα που βρίσκονται σε έναν κόμβο του δικτύου, χωρίς να χρειάζεται η μεταφορά ή η εγκατάστασή τους σε άλλους κόμβους. Με τον τρόπο αυτό γίνεται σημαντική εξοικονόμηση χρόνου, ενώ ταυτόχρονα εξασφαλίζεται ότι δεν θα υπάρχουν διαφορετικές «εκδόσεις» των ίδιων δεδομένων διάσπαρτες σε διαφορετικούς κόμβους. 

● Κοινή Χρήση περιφερειακών συσκευών: Μια συσκευή που συνδέεται είτε απευθείας σε ένα δίκτυο, είτε σε έναν υπολογιστή συνδεδεμένο σε αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί από όλους τους χρήστες του δικτύου. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται η καλύτερη αξιοποίηση και η αύξηση της διαθεσιμότητας της συσκευής και εξοικονομούνται χρήματα από την αγορά παρόμοιων συσκευών για κάθε υπολογιστή ξεχωριστά. Κλασικά παραδείγματα τέτοιων συσκευών είναι οι κοινόχρηστοι εκτυπωτές και τα δικτυακά αποθηκευτικά μέσα. 

● Διαμοιρασμός μιας σύνδεσης Internet: Με τον τρόπο αυτό μπορεί να δοθεί πρόσβαση στο διαδίκτυο σε όλους τους κόμβους ενός δικτύου, μέσω της μοναδικής ενδεχομένως γραμμής επικοινωνίας με το διαδίκτυο που είναι διαθέσιμη. 

● Εξοικονόμηση χρημάτων: Κάνοντας χρήση μόνο ενός προγράμματος, ή μιας περιφερειακής συσκευής για παράδειγμα ενός εκτυπωτή, εξοικονομούνται χρήματα. Επίσης αρκετές εταιρίες χρεώνουν μικρότερα ποσά για τις άδειες χρήσης εφαρμογών που εκτελούνται μέσω δικτύου, παρά αυτόνομα για εγκατάσταση σε κάθε θέση εργασίας.

Μειονεκτήματα ενός Δικτύου Υπολογιστών

● Θέματα Ασφάλειας Δεδομένων: Οι υπολογιστές ενός δικτύου είναι ευάλωτοι σε προσπάθειες πρόσβασης από μη εξουσιοδοτημένα άτομα, ή ακόμα και υποκλοπής των δεδομένων τους. Ιδιαίτερα ευάλωτα είναι τα τμήματα δικτύων που χρησιμοποιούν ασύρματη μετάδοση δεδομένων, καθώς τα δεδομένα μεταδίδονται στον ελεύθερο χώρο και πρέπει να εφαρμόζονται ειδικές τεχνικές ασφαλείας για την προστασία τους. 

● Παρουσία ιών και malwares: Ιοί, δούρειοι ίπποι και γενικά κάθε είδος επιβλαβούς λογισμικού (malware) μπορεί να μεταδοθεί ταχύτατα ανάμεσα στους κόμβους ενός δικτύου, αφού η διάδοσή του δεν απαιτεί την φυσική μεταφορά και εισαγωγή κάποιου μολυσμένου αποθηκευτικού μέσου στους υπολογιστές. Τέτοιου είδους λογισμικά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για υποκλοπή δεδομένων, την πρόκληση βλαβών στους υπολογιστές, ή την υποβάθμιση της ταχύτητας και αξιοπιστίας του δικτύου. Για το λόγο αυτό η ύπαρξη ενημερωμένων προγραμμάτων προστασίας από ιούς και κακόβουλο λογισμικό αποκτά ακόμη μεγαλύτερη σημασία απ’ ότι σε έναν μεμονωμένο υπολογιστή. 

● Οικονομικό Κόστος: Η εγκατάσταση ενός δικτύου προϋποθέτει μια επένδυση σε υλικό και λογισμικό, συμπεριλαμβανόμενου και του κόστους για την σχεδίαση και υλοποίηση του δικτύου. Το κόστος αυτό αυξάνεται όσο αυξάνεται το μέγεθος και η πολυπλοκότητα του δικτύου. Πέραν τούτων, σε κάθε δίκτυο (με εξαίρεση τις πολύ μικρές εγκαταστάσεις) η διαρκής συντήρηση και διαχείριση του δικτύου απαιτεί την παρουσία ενός ή μιας ομάδας ατόμων (σε μεγαλύτερες υλοποιήσεις) που θα έχουν την ευθύνη για τις εργασίες αυτές, αυξάνοντας έτσι το μισθολογικό κόστος της επιχείρησης ή του οργανισμού.

Πρωτόκολλα Επικοινωνίας

Στα δίκτυα ένα πρωτόκολλο δικτύου (network protocol) είναι το σύνολο των κανόνων που πρέπει να ακολουθήσουν δύο οντότητες (π.χ. συσκευές ή εφαρμογές) προκειμένου να επικοινωνήσουν μεταξύ τους. 

Σε αναλογία με την ανθρώπινη συνομιλία, τα πρωτόκολλα δικτύου χρησιμοποιούν την μετάδοση μηνυμάτων για την εγκαθίδρυση και την διαχείριση της επικοινωνίας. Είναι προφανές ότι οι οντότητες που επιθυμούν να επικοινωνήσουν θα πρέπει να χρησιμοποιούν τα ίδια πρωτόκολλα, προκειμένου τα μηνύματα που ανταλλάσσονται να γίνονται αντιληπτά από τους παραλήπτες τους.

Hint: Γρίφος με φυλικισμένους

3.2. Αρχιτεκτονική Δικτύων

• Η αρχιτεκτονική του δικτύου καθορίζει τα φυσικά συστατικά, την λειτουργική οργάνωση, τις αρχές λειτουργίας, καθώς και τη μορφή που έχουν τα δεδομένα που μεταφέρονται μεταξύ των συσκευών, παρέχοντας την δυνατότητα στους υπολογιστές και στις λοιπές συσκευές να συνδέονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν ένα σύστημα επικοινωνίας. Σκοπός είναι οι χρήστες να έχουν τη δυνατότητα να διαμοιράζονται πληροφορίες και συσκευές του δικτύου. 
• Η σχεδίαση και η ανάπτυξη ενός δικτύου υπολογιστών θα πρέπει να είναι τέτοια ώστε αυτό να καθίσταται ένα αξιόπιστο, αποδοτικό, ασφαλές και οικονομικό μέσο ανταλλαγής ή μεταβίβασης πληροφοριών μεταξύ των χρηστών. Επίσης, θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη ότι πρόκειται για ένα περιβάλλον δυναμικά εξελισσόμενο, καθώς ο κύριος στόχος του είναι από τη μία η ικανοποίηση των συνεχώς αυξανόμενων και μεταβαλλόμενων απαιτήσεων των χρηστών, και από την άλλη η ενσωμάτωση των ραγδαίων εξελίξεων της τεχνολογίας. Όλες αυτές οι απαιτήσεις καθιστούν πολύπλοκη τη σχεδίαση ενός δικτύου υπολογιστών.

3.3. To Μοντέλο Αναφοράς O.S.I.

Το μοντέλο O.S.I. αποτελείται από επτά (7) ιεραρχικά επίπεδα, τα οποία καλύπτουν διάφορες δικτυακές λειτουργίες, πρωτόκολλα και εξοπλισμό. Το χαμηλότερο επίπεδο είναι αυτό που βρίσκεται πιο κοντά στο υλικό και το υψηλότερο πιο κοντά στις εφαρμογές.

Φυσικό Επίπεδο (Physical Layer)

• Πρόκειται για το χαμηλότερο επίπεδο και είναι αυτό που βρίσκεται πλησιέστερα στο υλικό (hardware) και στο μέσο μετάδοσης. Στο Φυσικό Επίπεδο μετατρέπεται η σειρά των δυαδικών ψηφίων που πρέπει να μεταδοθούν σε ηλεκτρικούς ή φωτεινούς παλμούς, ή ακόμα και ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Εδώ καθορίζονται οι ηλεκτρικές, μηχανικές και λειτουργικές προδιαγραφές για τη μετάδοση των δεδομένων πάνω από το φυσικό μέσο, όπως, π.χ. η οπτική ίνα, το ομοαξονικό καλώδιο, η ασύρματη ζεύξη κ.ά.
• Σε αυτό το σημείο θα πρέπει να τονίσουμε ότι στο Φυσικό Επίπεδο τα δεδομένα γίνονται αντιληπτά ως μια ακολουθία δυαδικών ψηφίων χωρίς να παίζει ρόλο το τι ακριβώς πληροφορία μεταφέρουν.

Επίπεδο Σύνδεσης Δεδομένων (Data Link Layer)

Το Επίπεδο Σύνδεσης (ή Ζεύξης) Δεδομένων φροντίζει για την αξιόπιστη μεταφορά των δεδομένων πάνω από τα φυσικό μέσο μετάδοσης χρησιμοποιώντας μηχανισμούς εντοπισμού και διόρθωσης λαθών, έτσι ώστε το επόμενο επίπεδο (Επίπεδο Δικτύου) να αντιλαμβάνεται το φυσικό μέσο μετάδοσης σαν μια γραμμή μεταφοράς απαλλαγμένη από σφάλματα. Το επίπεδο αυτό χωρίζεται σε δύο υπο-επίπεδα.

Το επίπεδο δικτύου δέχεται δεδομένα από το επίπεδο μεταφοράς, τα χωρίζει σε ενότητες σταθερού ή μεταβλητού μεγέθους που ονομάζονται πακέτα (packets ή datagrams) και τα προωθεί στο επίπεδο σύνδεσης δεδομένων. Είναι το επίπεδο που είναι υπεύθυνο για τη διευθυνσιοδότηση και τη δρομολόγηση των δεδομένων στον προορισμό τους. Οι βασικές λειτουργίες του επιπέδου είναι οι εξής: 

● Η διευθυνσιοδότηση, δηλ. όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως η αντιστοίχιση μιας μοναδικής διεύθυνσης σε κάθε κόμβο του δικτύου. 

● Η δρομολόγηση, δηλ. η εύρεση της διαδρομής που θα πρέπει να ακολουθήσουν τα πακέτα από τον αποστολέα στον παραλήπτη. 

● Η αποφυγή κυκλοφοριακής συμφόρησης (congestion) σε κάποιο τμήμα του δικτύου που συνήθως προκαλείται όταν υπερβολικά μεγάλος αριθμός πακέτων προσπαθούν να διέλθουν από την ίδια διαδρομή.

Το Επίπεδο Δικτύου (Network Layer)

Το επίπεδο δικτύου δέχεται δεδομένα από το επίπεδο μεταφοράς, τα χωρίζει σε ενότητες σταθερού ή μεταβλητού μεγέθους που ονομάζονται πακέτα (packets ή datagrams) και τα προωθεί στο επίπεδο σύνδεσης δεδομένων. Είναι το επίπεδο που είναι υπεύθυνο για τη διευθυνσιοδότηση και τη δρομολόγηση των δεδομένων στον προορισμό τους. 

Οι βασικές λειτουργίες του επιπέδου είναι οι εξής: 

● Η διευθυνσιοδότηση, δηλ. όπως αναφέρθηκε και προηγουμένως η αντιστοίχιση μιας μοναδικής διεύθυνσης σε κάθε κόμβο του δικτύου. 

● Η δρομολόγηση, δηλ. η εύρεση της διαδρομής που θα πρέπει να ακολουθήσουν τα πακέτα από τον αποστολέα στον παραλήπτη. 

● Η αποφυγή κυκλοφοριακής συμφόρησης (congestion) σε κάποιο τμήμα του δικτύου που συνήθως προκαλείται όταν υπερβολικά μεγάλος αριθμός πακέτων προσπαθούν να διέλθουν από την ίδια διαδρομή.

Το Επίπεδο Μεταφοράς (Transport Layer)

• Στο Επίπεδο Μεταφοράς υλοποιείται το κανάλι επικοινωνίας μεταξύ των τερματικών κόμβων, μέσω του οποίου θα μεταβιβάζονται αξιόπιστα τα μηνύματά τους.
• Η βασική λειτουργία του επιπέδου αυτού είναι η παραλαβή των δεδομένων από το επίπεδο συνόδου (μηνύματα), ο τεμαχισμός τους, αν χρειάζεται, σε μικρότερα κομμάτια που ονομάζονται τμήματα (segments) και η προώθησή τους στο επίπεδο δικτύου.

Επίπεδο Συνόδου (Session Layer)

Το Επίπεδο Συνόδου επιτρέπει σε δύο εφαρμογές, που εκτελούνται σε διαφορετικούς υπολογιστές να συνομιλούν μεταξύ τους με τη δημιουργία, τη χρήση και τον τερματισμό μιας ειδικής σύνδεσης που ονομάζεται σύνοδος (session).

Επίπεδο Παρουσίασης (Presentation Layer)

Η κύρια εργασία του επιπέδου παρουσίασης είναι να μετατρέπει τα δεδομένα από τη μορφή που υποστηρίζει ένα σύστημα σε αυτή που καταλαβαίνει ένα άλλο, έτσι ώστε οι εφαρμογές να λαμβάνουν πάντα τα δεδομένα στην μορφή που αναγνωρίζουν

Επίπεδο Εφαρμογής (Application Layer)

Το Επίπεδο Εφαρμογής είναι το ανώτερο επίπεδο στην ιεραρχία επιπέδων του O.S.I. και αυτό που βρίσκεται πιο κοντά στο χρήστη. Είναι το επίπεδο που παρέχει τις υπηρεσίες που θα χρησιμοποιήσουν οι εφαρμογές που χρειάζονται επικοινωνία στο δίκτυο.

📝🔗 Ερωτηματολόγιο 📝🔗

Δίκτυα με βάση την γεωγραφική κατανομή

Τοπικά Δίκτυα (Local Area Networks – LAN): 

Είναι τα μικρότερα σε έκταση δίκτυα, αφού προορίζονται να καλύψουν αποστάσεις από μερικές δεκάδες μέτρα μέχρι περίπου 100 χιλιόμετρα. Χρησιμοποιούνται συνήθως για την υλοποίηση δικτύων που καλύπτουν ένα ή περισσότερα (γειτονικά) κτίρια, όπως π.χ. τα γραφεία μιας επιχείρησης ή τα κτίρια ενός εκπαιδευτικού οργανισμού. Χαρακτηριστικό τους είναι ότι στη συντριπτική τους πλειοψηφία είναι ιδιόκτητα.

Πλεονεκτήματα των τοπικών δικτύων: 

• Μικρό κόστος ανά χρήστη. Μια ακριβή περιφερειακή συσκευή (π.χ. ένας εκτυπωτής laser) ή προγράμματα εφαρμογών αποτελούν διαμοιραζόμενους πόρους και χρησιμοποιούνται από όλους τους χρήστες. 
• Μεγάλη ταχύτητα μεταφοράς πληροφοριών. 
• Επεκτασιμότητα. 
• Υψηλό επίπεδο παρεχόμενων υπηρεσιών στους χρήστες του δικτύου. 
• Συμβατότητα με συσκευές κατασκευασμένες µε συγκεκριμένα πρότυπα.