OSI TCP/IP · 2019-10-22 · Για παράδειγμα αν επιλεγεί ο αέρας, τα ηχητικά κύματα και η ελληνική γλώσσα, τότε θα

Εργ. Δίκτυα Υπολ. Ι – Τμήμα Μηχανικών Πληροφορικής & Υπολογιστών ΠαΔΑ

Σ ε λ ί δ α | 1

1ο Εργαστηή ριο

Στοήχος

Εισαγωγή στο μοντέλο αναφοράς OSI και στη συλλογή πρωτοκόλλων TCP/IP

Ανθρωποκεντρικοή μοντεήλο

Παρακαλούμε ξεχάστε τα δίκτυα υπολογιστών και σκεφτείτε μια αίθουσα γεμάτη ανθρώπους. Μια αίθουσα σαν αυτές που χρησιμοποιούμε στα Πανεπιστήμια και ανταλλάσσουμε ιδέες και γνώση. Χάριν απλότητας, επικεντρωθείτε μόνο στον προφορικό λόγο και εξαιρέστε τη γλώσσα του σώματος. Ας εντοπίσουμε τα βασικά στοιχεία που διέπουν την μεταξύ μας επικοινωνία.

Ήχος. Προφορικός λόγος μέσω ήχου. Πώς αλλιώς;

Η παραπάνω διαταραχή, η δημιουργία ήχου δηλαδή, χρειάζεται μια πηγή. Μια ταλάντωση. Με την ταλάντωση των φωνητικών χορδών μας δημιουργούμε ήχο που διαμορφώνουμε με τον φάρυγγα, τη στοματική και τη ρινική κοιλότητα.

Ο ήχος, ως μηχανικό κύμα, ως διαταραχή, χρειάζεται ένα φυσικό μέσο μετάδοσης. Τα μόρια του αέρα που μας περιβάλει, εκτελούν ταλαντώσεις και μεταφέρουν αυτή την ενέργεια.

Το αυτί μας συλλέγει τα ηχητικά κύματα – τίθεται σε ταλάντωση λόγω της μεταφερόμενης από τα μόρια του αέρα ηχητική ενέργεια – και μέσω των ηχητικών νεύρων φτάνουν στον εγκέφαλό μας.

Σημαντικό ρόλο για την παραγωγή και συλλογή ήχων, που τελικά σημαίνουν κάτι, είναι η νοημοσύνη.

Κι αν δεν μιλάμε την ίδια γλώσσα; Αν ο ομιλητής μιλά Ελληνικά όταν κανείς από τους ακροατές δεν μιλά; Αρα θα πρέπει να συμφωνήσουμε σε μια κοινή γλώσσα.

Ο θόρυβος, πέρα της έλλειψης ενδιαφέροντος, είναι κρίσιμος εχθρός σε μια τέτοια αίθουσα. Την εικόνα μιας αίθουσας που κάθε φορά υπάρχει ένας ομιλητής και πολλοί ακροατές την έχουμε κερδίσει μεγαλώνοντας με συγκεκριμένο τρόπο στις κοινωνίες που μεγαλώσαμε. Δεν είναι φυσικό φαινόμενο, όπως για παράδειγμα ο ήχος. Ελπίζουμε σε τέτοιες αίθουσες.

Κάποια στιγμή στην αίθουσα μας, ένας ομιλητής θέλει να θέσει μια ερώτηση σε έναν συγκεκριμένο ακροατή και ρωτά: «θα θέλατε να μας πείτε γιατί δεν συμφωνείτε με την απαγόρευση του καπνίσματος στους κλειστούς δημόσιους χώρους;». Θυμίζουμε ότι έχουμε εξαιρέσει τη γλώσσα του σώματος. Ποιος άκουσε την ερώτηση; Μα προφανώς –αν προσέχουν– όλοι. Ποιος θα απαντήσει;

Τα προβλήματα του θορύβου και της ταυτότητας του ακροατή ή και του ομιλητή απορρέουν από ένα βασικό χαρακτηριστικό της επικοινωνίας μας. Το φυσικό μέσο είναι κοινό. Κοινό όχι με την έννοια του ευτελούς αλλά με την έννοια της από κοινού χρήσης.



Συνεπώς, θα πρέπει να υπάρχει μια διαιτησία χρήσης του φυσικού μέσου. Στη περίπτωσή μας, του αέρα. Είπαμε. Αυτό εμείς το κερδίσαμε μεγαλώνοντας με συγκεκριμένο τρόπο.

Επίσης, είναι απαραίτητη μία μέθοδος ταυτοποίησης ώστε να μπορούμε να ξεχωρίσουμε ποιος μιλά και σε ποιον ή ποιους αναφέρεται.

Η παραπάνω στιχομυθία, του ανθρώπινου ανάλογου, μπορεί να μεταφερθεί αυτούσια και να χρησιμοποιηθεί στην κατανόηση της λειτουργίας των δικτύων Η/Υ (Εικόνα 1).

Εικόνα 1. Απεικόνιση ανθρώπινου ανάλογου

Μοντεήλο αναφοραή ς OSI

Ο διεθνής οργανισμός προτυποποίησης International Standards Organisation (ISO), αποφάσισε να περιγράψει το πρόβλημα της δικτύωσης Η/Υ, αναλύοντάς το σε επτά (7) διακριτά επιμέρους –και απλούστερα– προβλήματα. Τα ονομάζει επτά επίπεδα. Για κάθε ένα από αυτά τα προβλήματα που θέτει, θα πρέπει να δοθεί λύση, η οποία δεν πρέπει να εξαρτάται ή να επηρεάζει την επίλυση άλλου προβλήματος. Ονομάζεται μοντέλο αναφοράς του OSI (Εικόνα 2) και δεν είναι τίποτε άλλο από μια συνολική πρόταση, περιγραφική, χωρίς τεχνικές λεπτομέρειες, ώστε τελικά να φτάσουμε στο ζητούμενο: Να σχεδιάσουμε, να αναπτύξουμε και να μελετήσουμε τη λειτουργία δικτύων Η/Υ.

Επίπεδο Όνομα Περιγραφή 7 Application Η εφαρμογή και η διεπαφή της με τον άνθρωπο 6 Presentation Κωδικοποίηση και διαμόρφωση της πληροφορίας που ανταλλάσσεται 5 Session Διαχείριση της σύνδεσης μεταξύ εφαρμογών 4 Transport Αξιοπιστία στη μεταφορά πληροφορίας 3 Network Μεταφορά πληροφορίας μεταξύ διαφορετικών δικτύων

2 Data link Διαιτησία χρήσης του φυσικού μέσου μεταξύ αυτών που το χρησιμοποιούν

1 Physical Το φυσικό μέσο μεταφοράς της πληροφορίας Εικόνα 2. Μοντέλο αναφοράς OSI



• Στο επίπεδο Physical τίθεται το πρόβλημα του φυσικού μέσου και της αναπαράστασης της πληροφορίας σε αυτό. Για παράδειγμα αν επιλεγεί ο αέρας, τα ηχητικά κύματα και η ελληνική γλώσσα, τότε θα πρέπει να υπάρχουν σαφείς οδηγίες για κάθε ένα από αυτά τα συστατικά. Σύσταση αέρα, επιτρεπτοί κύκλοι του ηχητικού κύματος, εύρος λέξεων και σύνταξη για τη γλώσσα (σας θυμίζει κάτι;).

• Στο επίπεδο Data Link τίθεται το πρόβλημα χρήσης του φυσικού μέσου. Για παράδειγμα, αν το φυσικό μέσο που επιλέχθηκε είναι κοινό τότε θα πρέπει να αναπτυχθεί μια πολύπλοκη διαιτησία χρήσης ώστε να αποφευχθεί ο θόρυβος. Να αποφευχθεί δηλαδή η παρουσία ενέργειας στο φυσικό μέσο, η οποία δεν αναπαριστά καμιά πληροφορία. Θα πρέπει να επιλέγει ένας τρόπος ταυτοποίησης των Η/Υ πάνω στο φυσικό μέσο. Η κάρτα δικτύου είναι το ηλεκτρονικό μέρος ενός Η/Υ που πρέπει να χρησιμοποιεί το φυσικό μέσο ώστε να λαμβάνει και να εκπέμπει πληροφορία. Άρα οι διευθύνσεις αφορούν τις κάρτες δικτύων, μιας και δεν υπάρχουν build-in σε Η/Υ (συνήθως), αλλά επιλέγονται χάριν ευελιξίας.

Τα δυο αυτά επίπεδα περιέχουν υλοποίηση με υλικό, καλώδια και κάρτες δικτύων, αλλά και με λογισμικό -κάπως πρέπει να υλοποιηθούν οι κανόνες χρήσης! Στα άλλα επίπεδα, συνήθως, η υλοποίηση περιορίζεται μόνο σε λογισμικό.

• Στο επίπεδο Network τίθεται το πρόβλημα ενός κοινού σημείου αναφοράς, ώστε τελικά όλες οι πιθανές διαφορετικές τεχνολογίες δικτύου των πρώτων δύο επιπέδων να μπορούν να επικοινωνήσουν μεταξύ τους. Κινητά τηλέφωνα, Η/Υ, πλυντήρια, ρολόγια, θερμοστάτες, τηλεοράσεις, αυτοκίνητα και πολλά ακόμη, θα πρέπει να μπορούν να επικοινωνούν μεταξύ τους, ανεξάρτητα από τις επιλογές των δύο πρώτων επιπέδων, που μπορεί να διαφέρουν εξολοκλήρου και ανεξάρτητα από τη γεωγραφική τους θέση, άρα να μην είναι δυνατή η απευθείας ανταλλαγή πληροφορίας μέσω του ίδιου φυσικού μέσου. Η υλοποίηση μιας τέτοιας τεχνολογίας, πέρα από κανόνες, μπορεί να περιλαμβάνει και ειδικές δικτυακές μηχανές που θα υλοποιούν την προώθηση –«δρομολόγηση», με όρους δικτύων– ενός μηνύματος από μια συσκευή σε άλλη, ανεξάρτητα από την τεχνολογία των πρώτων δύο επιπέδων και της γεωγραφικής θέσης των μερών.

• Στο επίπεδο Transport τίθεται το πρόβλημα αξιοπιστίας στη μεταφορά της πληροφορίας. Πρέπει η πληροφορία που στέλνει το ένα μέρος της επικοινωνίας, αναλλοίωτη να φτάνει στον παραλήπτη. Το τέταρτο επίπεδο του μοντέλου αναφοράς του OSI απαιτεί αξιοπιστία στην επικοινωνία. Δεν απαγορεύει ύπαρξη μηχανισμών αξιοπιστίας σε άλλα επίπεδα, αλλά το απαιτεί την ύπαρξη του τέταρτου επίπεδου.

• Στο επίπεδο Session τίθεται το πρόβλημα της διαχείρισης της επικοινωνιακής σύνδεσης μεταξύ εφαρμογών. Δηλαδή την εγκαθίδρυση, συντήρηση και τερματισμό της επικοινωνίας. Εδώ, ανταλλάσσονται τα διαπιστευτήρια (credentials) για την πρόσβαση σε μια εφαρμογή ανώτερου (κατά OSI) επιπέδου.

• Στο επίπεδο Presentation τίθεται το πρόβλημα της διαμόρφωσης των δεδομένων που ανταλλάσσουν οι εφαρμογές. Εδώ, συναντάμε μηχανισμούς συμπίεσης (compression) και απόκρυψης (encryption) της πληροφορίας.

• Στο επίπεδο Application τίθεται το πρόβλημα της παρεχόμενης ηλεκτρονικής υπηρεσίας προς τον άνθρωπο και τη διεπαφή με αυτόν.



Συλλογηή πρωτοκοή λλων TCP/IP

To Μοντέλο ή η Σουίτα ή η Συλλογή πρωτοκόλλων TCP/IP είναι ουσιαστικά μια υλοποίηση των οδηγιών που προτείνει ο οργανισμός ISO μέσω του μοντέλου αναφοράς του Open Systems Interconnection (OSI). Η συλλογή αυτή (TCP/IP protocol suite) περιλαμβάνει όλα τα πρωτόκολλα επικοινωνίας που αφορούν και υλοποιούν όλα τα δίκτυα δεδομένων και εν τέλει το Διαδίκτυο (Internet).

Πρωτόκολλο επικοινωνίας είναι προσυμφωνημένοι κανόνες που εξυπηρετούν την επικοινωνία δύο – ή περισσοτέρων– μερών. Είναι ουσιαστικά μια γραπτή τεχνική τεκμηρίωση η οποία περιλαμβάνει σε μεγάλη λεπτομέρεια πληροφορίες για τον σχεδιασμό και την υλοποίηση του πρωτοκόλλου. Οι πληροφορίες αφορούν το είδος των μηνυμάτων που μπορεί να ανταλλαχθούν, τη σειρά μετάδοσής τους, αλλά και ό,τι άλλο χρειάζεται, ώστε βάσει αυτών των πληροφοριών/κανόνων να αναπτυχθεί τελικά λογισμικό ή υλικό (αν πρόκειται για τα κατώτερα επίπεδα της διαστρωμάτωσης που προτείνει το μοντέλο αναφοράς του OSI –Physical και Data Link layer). Η μελέτη και ο σχεδιασμός νέων πρωτοκόλλων επικοινωνίας πραγματοποιούνται de jure βάσει OSI μοντέλου ή de facto βάσει TCP/IP μοντέλου.

Ο οργανισμός Internet Engineering Task Force (IETF) είναι ουσιαστικά ο πρωταγωνιστής στη συγγραφή τέτοιων προδιαγραφών ή προτύπων ή τεχνικών κειμένων και αφορούν σε αυτό που ονομάζουμε συλλογή πρωτοκόλλων TCP/IP. Τα τεχνικά αυτά κείμενα ονομάζονται Request For Comments (RFC). Ο οργανισμός IETF δεν ασχολείται με τη συγγραφή προτύπων για τα χαμηλότερα επίπεδα (Physical και Data Link) της διαστρωμάτωσης που προτείνει το μοντέλο αναφοράς του OSI.

Εικόνα 3. Παράθεση μοντέλου αναφοράς OSI και συλλογής πρωτοκόλλων TCP/IP

Στην Εικόνα 3 παρουσιάζεται ο τρόπος που ο οργανισμός IETF ακολούθησε τις οδηγίες, τις οποίες προτείνει το μοντέλο αναφοράς του OSI.

• Μιας και δεν ασχολείται καθόλου με την επίλυση των προβλημάτων που περιγράφονται στα (κατά OSI) επίπεδα ένα και δύο, τα απλοποίησε σε ένα επίπεδο με την γενική ονομασία Network Access.



• Διατήρησε τις οδηγίες για το επίπεδο Network, αλλά το ονόμασε Internet. Είναι το επίπεδο στο οποίο δίνεται λύση για καθολική δικτύωση μεταξύ διαφορετικών επιμέρους τεχνολογιών δικτύων και δικτύων που δεν βρίσκονται στην ίδια περιορισμένη γεωγραφική θέση.

• Το επίπεδο Transport κρατήθηκε με την ίδια ονομασία με μια μικρή προσθήκη: Η αξιοπιστία που απαιτεί το μοντέλο αναφοράς του OSI θα παρέχεται, αλλά ο μηχανικός ανάπτυξης λογισμικού θα εισάγει μόνος όση αξιοπιστία θέλει για την ανταλλαγή πληροφορίας μεταξύ εφαρμογών.

• Τα τρία τελευταία επίπεδα του μοντέλου αναφοράς του OSI μπορούμε με ασφαλή τρόπο να πούμε πως ο IETF τα έχει συμπτύξει σε ένα με την ονομασία Application.

Το επίπεδο Network Access αν και δεν απασχολεί τον IETF, θα απασχολεί εμάς, μιας και μελετάμε την λειτουργία του. Αρά, στο εξής θα αναφερόμαστε σε αυτό με τον διακριτό τρόπο που ορίζει το μοντέλο αναφοράς του OSI. Δηλαδή σε επίπεδο Data Link και επίπεδο Physical.

Στη βιβλιογραφία θα βρείτε την συλλογή πρωτοκόλλων TCP/IP να παρουσιάζεται με τέσσερα επίπεδα (Application, Transport, Internet, Network Access) ή με πέντε επίπεδα (Application, Transport, Internet, Data Link, Physical) ώστε να διευκολυνθεί η μελέτη.

Ο οργανισμός που ασχολείται με τη συγγραφή πρωτοκόλλων για τα χαμηλότερα επίπεδα της διαστρωμάτωσης OSI είναι ο οργανισμός Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). Ο οργανισμός ΙΕΕΕ είναι υπεύθυνος για την δημιουργία και ανάπτυξη πολλών πρωτοκόλλων ευρείας χρήσης, όπως το IEEE 802.11 (πρωτόκολλο για ασύρματες ζεύξεις).

Πίσω στο μακρινό 1980, η συνεργασία τριών εταιριών, Digital Intel και Xerox (DIX), επέφερε ένα πρωτόκολλο επικοινωνίας που αποδείχθηκε αξεπέραστο. Το πρωτόκολλο επικοινωνίας Ethernet ΙΙ κυριάρχησε καθολικά, χωρίς κάποιον ισάξιο αντίπαλο να μπορεί να θίξει την πρωτοκαθεδρία του ακόμη και σήμερα. Το Ethernet II αφορά στις οδηγίες των δύο πρώτων επιπέδων (Physical και Data Link) της διαστρωμάτωσης που προτείνει το μοντέλο αναφοράς του OSI.

Το Ethernet είναι ένα πρωτόκολλο επικοινωνίας κοινού φυσικού μέσου –κοινό όχι με την έννοια του ευτελούς, αλλά με την έννοια της από κοινού χρήσης. Υπάρχουν δύο επιλογές για φυσικό μέσο μετάδοσης. Χαλκός ή οπτική ίνα με πολύ συγκεκριμένες προδιαγραφές (Physical Layer). Η διαιτησία διαμοιρασμού ενός κοινού πόρου, όπως ένα φυσικό μέσο μετάδοσης, είναι πολύπλοκη. Επίσης, όταν χρησιμοποιείται κοινό φυσικό μέσο για τη μετάδοση της πληροφορίας, απαιτούνται και μοναδικά αναγνωριστικά για όσους το χρησιμοποιούν (Data Link Layer). Όλες αυτές οι απαιτήσεις υλοποιούνται μέσω των καρτών δικτύου Ethernet. Μια κάρτα δικτύου Ethernet πρέπει να έχει το ηλεκτρονικό μέρος ώστε να μπορεί να χρησιμοποιήσει το φυσικό μέσο, δηλαδή να εκπέμπει και να λαμβάνει πληροφορίες σε μορφή τάσης: σε καλώδιο χαλκού ή παλμών φωτός σε καλώδιο οπτικής ίνας. Μια κάρτα δικτύου Ethernet θα πρέπει να υλοποιεί τους κανόνες διαμοιρασμού του φυσικού μέσου που ορίζει το πρωτόκολλο και, προφανώς, μιας και αυτή ουσιαστικά χρησιμοποιεί το κοινό φυσικό μέσο, θα πρέπει να διαθέτει ένα μοναδικό αναγνωριστικό. Αυτό το αναγνωριστικό ονομάζεται Ethernet MAC addresses ή φυσική διεύθυνση Ethernet.

Θυμηθείτε το ανθρώπινο ανάλογο της επικοινωνίας μας σε μια μία αίθουσα (Εικόνα 1).



Λογικηή απεικοή νιση λειτουργιήας ενοή ς Η/Υ σε εήνα διήκτυο

Η εικόνα 4 είναι ένα παράδειγμα λογικής απεικόνισης λειτουργίας ενός Η/Υ σε ένα δικτυο. Παρουσιάζεται, δηλαδή, η λογική απεικόνιση των διαστρωματωμένων πρωτοκόλλων ενός Η/Υ στο δίκτυο αυτό.

Εικόνα 4. Λογική απεικόνιση διαστρωμάτωσης

Χάριν παραδείγματος, για τα δύο πρώτα επίπεδα της διαστρωμάτωσης που προτείνει το μοντέλο αναφοράς του OSI, επιλέγουμε το πρωτόκολλο Ethernet II.

• Η οριζόντια γραμμή αναπαριστά ένα ομοαξονικό καλώδιο χαλκού τεχνολογίας Ethernet (Ethernet Cable). Με “ο” απεικονίζεται ο πομποδέκτης της Ethernet κάρτας δικτύου. Θα ανιχνεύει ή θα εφαρμόζει τάση πάνω στο καλώδιο χαλκού και έτσι θα λαμβάνει ή θα εκπέμπει δεδομένα στο φυσικό μέσο.

• Τα ορθογώνια κουτιά αναπαριστούν την επεξεργασία των δεδομένων εντός Η/Υ, είτε αυτά είναι εισερχόμενα είτε εξερχόμενα.

• Η διαστρωμάτωση για το επίπεδο Network Access της συλλογής πρωτοκόλλων TCP/IP (τα επίπεδα Data Link και Physical της διαστρωμάτωσης που προτείνει το μοντέλο αναφοράς του OSI), απεικονίζεται με το ορθογώνιο κουτί “ENET”. Είναι η υλοποίηση του πρωτοκόλλου Ethernet II. Αυτοί οι κανόνες, σε μορφή λογισμικού, βρίσκονται στην Ethernet κάρτα δικτύου. Το πρωτόκολλο Ethernet II ως τεχνολογία κοινού μέσου απαιτεί μια διεύθυνση για κάθε κάρτα δικτύου (Ethernet MAC address). Αυτή η διεύθυνση απεικονίζεται με το “@”.

• Η διαστρωμάτωση για το επίπεδο Internet της συλλογής πρωτοκόλλων TCP/IP (το αντίστοιχο Network επίπεδο της διαστρωμάτωσης που προτείνει το μοντέλο αναφοράς του OSI), απεικονίζεται με το ορθογώνιο κουτί “IP” και είναι η υλοποίηση του IPv4 πρωτοκόλλου. Το πρωτόκολλο απαιτεί τουλάχιστον μια μοναδική IPv4 διεύθυνση για κάθε Η/Υ. Αυτό το τελευταίο

---------------------------- | network applications | | | |... \ | / .. \ | / ...| | ----- ----- | | |TCP| |UDP| | | ----- ----- | | \ / | | -------- | | | IP | | | ----- -*------ | | |ARP| | | | ----- | | | \ | | | ------ | | |ENET| | | ---@-- | ----------|-----------------

| ----------------------o---------

Ethernet Cable



ακούγεται σωστό αλλά ... όχι ακριβώς. Μια τουλάχιστον μοναδική IPv4 διεύθυνση για μια κάρτα δικτύου. Δηλαδή μια IPv4 διεύθυνση δεν διευθυνσιοδοτεί έναν υπολογιστή, αλλά μια κάρτα δικτύου του Η/Υ. Έμμεσα, μέσω της κάρτας δικτύου, διευθυνσιοδοτείται και ο Η/Υ. Έτσι, καταχρηστικά συνηθίζουμε να λέμε “η IPv4 διεύθυνση του Η/Υ”. Αυτή τη διεύθυνση αναπαριστά το “*”. Που βρίσκεται όμως αυτή η υλοποίηση; Μα φυσικά στο λειτουργικό σύστημα του H/Y. Η κατασκευάστρια εταιρία του ΛΣ, για παράδειγμα η Microsoft, έχει γράψει κώδικα που υλοποιεί το πρωτόκολλο IPv4 στο ΛΣ “Windows 10”. Αν δεν υπήρχε αυτή η υλοποίηση, ο υπολογιστής δεν θα μπορούσε να είναι μέρος οποιουδήποτε δικτύου.

• Η διαστρωμάτωση για το επίπεδο Transport της συλλογής πρωτοκόλλων TCP/IP, απεικονίζεται με τα ορθογώνια κουτιά “TCP” και “UDP”. Υλοποιούνται τα αντίστοιχο πρωτόκολλα. Πού βρίσκεται η υλοποίηση για τα δυο αυτά πρωτόκολλα; Μα φυσικά στο λειτουργικό σύστημα του H/Y.

• Η διαστρωμάτωση για το επίπεδο Application της συλλογής πρωτοκόλλων του TCP/IP, απεικονίζεται με τα πρωτόκολλα που περιγράφονται με τον γενικό όρο “network applications”. Που βρίσκεται η υλοποίηση για αυτά τα πρωτόκολλα; Κάποια έρχονται προεγκατεστημένα με το λειτουργικό σύστημα και άλλα επιλέγει ο χρήστης του Η/Υ να εγκαταστήσει, ώστε τελικά να επικοινωνεί μέσω αυτών στο Internet. Για παράδειγμα, το λογισμικό Mozilla Firefox ή το Google Chrome. Δύο λογισμικά που ακολουθούν το πρωτόκολλο επικοινωνίας HTTP. Ένα πρωτόκολλο επιπέδου Εφαρμογής.

Ροηή πληροφοριήας εντοή ς Η/Υ

Στην Εικόνα 4 που εμφανίζεται προηγούμενα, οι γραμμές μεταξύ των ορθογωνίων κουτιών απεικονίζουν τη ροή πληροφορίας εντός Η/Υ. Έτσι, αν μια εφαρμογή (Application Layer) πρέπει να στείλει μήνυμα σε μια εφαρμογή άλλου Η/Υ, τότε αυτό το μήνυμα θα πρέπει να αποσταλεί από την εφαρμογή προς επεξεργασία σε κάποιο από τα πρωτόκολλα “UDP” ή “TCP” (επίπεδο Transport).

Το πρωτόκολλο επιπέδου μεταφοράς θα παράξει ένα καινούργιο μήνυμα που θα περιλαμβάνει το μήνυμα που έλαβε από την εφαρμογή αλλά και επιπρόσθετες πληροφορίες που αφορούν στη λειτουργία του. Δηλαδή, το αρχικό μήνυμα της εφαρμογής θα πλαισιωθεί από καινούργια πληροφορία. Το καινούργιο – εμπλουτισμένο - μήνυμα στη συνέχεια θα σταλεί προς επεξεργασία στο πρωτόκολλο “IP” (επίπεδο Internet).

Το πρωτόκολλο IP με την σειρά του θα παράξει ένα καινούργιο μήνυμα που θα περιλαμβάνει το μήνυμα που έλαβε από το πρωτόκολλο επιπέδου μεταφοράς αλλά και κάποιες επιπρόσθετες πληροφορίες που αφορούν στη λειτουργία του. Σημειώνεται πως το αρχικό μήνυμα της εφαρμογής έχει ήδη πλαισιωθεί δύο φορές από καινούργια πληροφορία. Το καινούργιο – εμπλουτισμένο - μήνυμα στη συνέχεια θα σταλεί προς επεξεργασία στο πρωτόκολλο “ΕΝΕΤ” (επίπεδο Network Access).

Το πρωτόκολλο Ethernet με τη σειρά του θα παράξει ένα καινούργιο μήνυμα, το οποίο θα περιλαμβάνει το μήνυμα που έλαβε από το πρωτόκολλο επιπέδου Internet, αλλά και κάποιες επιπρόσθετες πληροφορίες που αφορούν στη λειτουργία του. Σημειώνεται ότι το αρχικό μήνυμα της εφαρμογής έχει ήδη πλαισιωθεί τρεις φορές από καινούργια πληροφορία. Το καινούργιο – εμπλουτισμένο– μήνυμα θα μεταφραστεί σε τάση και θα εφαρμοστεί στο φυσικό μέσο χαλκού. Στο



φυσικό μέσο που μοιράζεται από κοινού με άλλους, ανταγωνιστές, στην προσπάθεια κατάληψης και χρήσης του μέσου μετάδοσης.

Η παραπάνω διαδικασία ονομάζεται ενθυλάκωση. Ενθυλακώνεται ένα μήνυμα μέσα σε κάποιο άλλο.

Μοιάζει με την διαδικασία αποστολής γράμματος μέσω ταχυδρομείου: Γράφουμε ένα γράμμα προς κάποιο φιλικό πρόσωπο και το εσωκλείουμε σε έναν φάκελο. Ο φάκελος περιέχει επίσης μήνυμα. Μήνυμα όχι προς το φιλικό μας πρόσωπο. Αυτό βρίσκεται μέσα στον φάκελο. Μήνυμα που φέρει στην επιφάνεια του ο φάκελος, και θα χρησιμοποιηθεί από το ταχυδρομικό γραφείο που θα διεκπεραιώσει την αποστολή του μηνύματος.

Η αντίστροφη διαδικασία, η απενθυλάκωση δηλαδή, θα συμβεί στο Η/Υ της εφαρμογής που πρέπει να λάβει το αρχικό μήνυμα. Μοιάζει με την διαδικασία παραλαβής γράμματος μέσω ταχυδρομείου. Το φιλικό μας πρόσωπο θα λάβει τον φάκελο που στείλαμε, θα τον ανοίξει και θα διαβάσει –ελπίζουμε– το μήνυμα που στείλαμε.

Αναρωτιέστε για το ορθογώνιο κουτί “ARP”; Ωραία!

Μοναή δα δεδομεήνων πρωτοκοή λλου (Protocol Data Unit - PDU)

Στην παραπάνω διαδικασία, δηλαδή της ενθυλάκωσης στον αποστολέα και απενθυλάκωσης στον παραλήπτη, το μήνυμα που προωθείται από κάποιο πρωτόκολλο ενός επιπέδου σε άλλο πρωτόκολλο άλλου επιπέδου, ονομάζεται μονάδα δεδομένων πρωτοκόλλου – Protocol Data Unit (PDU).

Αναλόγως με το πού βρίσκεται το μήνυμα –PDU στο εξής– θα έχει και άλλη ονομασία. Στο επίπεδο Application το PDU ονομάζεται Application Data. Στο επίπεδο Transport το PDU ονομάζεται UDP Datagram ή TCP Segment, αναλόγως με το πρωτόκολλο που θα επεξεργαστεί το μήνυμα. Στο επίπεδο Internet το PDU ονομάζεται Packet. IPv4 Packet μιας και είναι το κυρίαρχο πρωτόκολλο του επιπέδου. Στο επίπεδο Data Link το PDU ονομάζεται Frame. Στο επίπεδο Physical το PDU ονομάζεται Bit stream ή πιο απλά Bits.

Εικόνα 5. PDUs / Ενθυλάκωση / Απενθυλάκωση



Ανάγκη χρήσης διευθύνσεων

A. Επίπεδο Data Link. Αναλόγως του είδους, αλλά και του τρόπου διαμοιρασμού του φυσικού μέσου μετάδοσης, μπορεί να απαιτούνται ή όχι φυσικές διευθύνσεις για τις κάρτες δικτύων. Στα παραδείγματά μας για τα πρώτα δυο επίπεδα θα χρησιμοποιούμε συχνά το πρωτόκολλο Ethernet, σύμφωνα με το οποίο απαιτούνται μοναδικές διευθύνσεις (φυσικές διευθύνσεις ή MAC διευθύνσεις) για τις κάρτες δικτύου.

Το πρωτόκολλο Ethernet επίσης ορίζει την δομή των μηνυμάτων που ανταλλάσσονται και όπως είπαμε ονομάζεται Frame. Ethernet Frame. Στην Εικόνα 6 φαίνεται η δομή του:

Preamble

101010…1011

Destination Address 6 Bytes

Source Address 6 Bytes

Type 2 Bytes

Payload 46-1500 Bytes

FCS 4 Bytes

← Ethernet Frame → Εικόνα 6. Ethernet II Frame

Destination Address: Η διεύθυνση της κάρτας δικτύου για την οποία προορίζεται το frame.

Source Address: Η διεύθυνση της κάρτας δικτύου η οποία έστειλε το frame.

Type: To πρωτόκολλο (του ανωτέρου επιπέδου) του οποίο το μήνυμα έχει ενθυλακωθεί στο frame.

Payload: Το μήνυμα του πρωτοκόλλου του ανωτέρου επιπέδου, το οποίο έχει ενθυλακωθεί στο frame ώστε να “ταξιδέψει” στο φυσικό μέσο. Παρατηρήστε πως έχει μεταβλητό μήκος. Από 46 έως 1500 Bytes. Συνεπώς δεν μπορεί να υπάρξει Ethernet frame μικρότερο από 64 Bytes ή μεγαλύτερο των 1518 Bytes. Στη περίπτωση κατά την οποία το payload είναι μικρότερο των 46 Bytes, τότε συμπληρώνεται πληροφορία (padding), η οποία δεν αλλοιώνει την αρχική.

Frame Check Sequence (FCS): Μέθοδος ανίχνευσης λαθών στο frame.

To Preamble δεν είναι μέρος του Ethernet Frame, αλλά μηχανισμός συγχρονισμού μεταξύ πομπού και δέκτη. Δηλαδή, μιας διαδικασίας του φυσικού επιπέδου του Ethernet. Με την εξέλιξη της τεχνολογίας δεν υπάρχει πλέον ανάγκη συγχρονισμού, αλλά συντηρείται για λόγους συμβατότητας προς τα πίσω. Ιστορικά, ο πομπός εκπέμπει πληροφορία 64 bits επαναλαμβάνοντας την ακολουθία “10”, εκτός των τελευταίων δύο bit που είναι “11”. Ο δέκτης δεν πρέπει να λάβει και να “καταλάβει” όλα τα 64 bit παρά μόνο τους δύο τελευταίους άσσους. Τότε θα έχει συγχρονιστεί με τον πομπό.

Η Εικόνα 7 παρουσιάζει την δομή μιας Ethernet διεύθυνσης συνολικού μήκους 48 bits. Το OUI, μήκους 24 bits, βρίσκεται υπό την διαχείριση της IEEE. Αν μια εταιρία ασχοληθεί με την κατασκευή καρτών δικτύου Ethernet, τότε η IEEE δεσμεύει ένα OUI (24 bits). Θα είναι το αναγνωριστικό της εταιρίας κατασκευής. Στη συνέχεια ο κατασκευαστής για κάθε κάρτα δικτύου που θα κατασκευάσει θα μπορεί να αποδώσει μια από τις 2^24 διευθύνσεις που έχει στη διάθεσή του (NIC Specific).


Σ ε λ ί δ α | 10

Εικόνα 7. Διευθύνσεις Ethernet

Όταν το b0 bit – Individual/Group bit – (Εικόνα 7: το λιγότερο σημαντικό bit της 1ης οκτάδας) είναι 0 τότε σημαίνει πως η MAC διεύθυνση αναπαριστά μια unicast διεύθυνση. Δηλαδή μια διεύθυνση μιας κάρτας δικτύου ενός Η/Υ. Αν είναι 1 τότε σημαίνει πως αυτή η διεύθυνση αναπαριστά μια multicast διεύθυνση. Δηλαδή μια διεύθυνση που αφορά μια ομάδα καρτών δικτύων (γκρουπ). Όταν η διεύθυνση έχει άσσους και στα 48 bit τότε αυτή ονομάζεται broadcast. Δηλαδή η πληροφορία αφορά όλους τους σταθμούς (όλες τις κάρτες δικτύου).

Όταν το b1 bit – Universally/Locally administered bit – (Εικόνα 7) έχει τη τιμή 0 τότε σημαίνει πως η MAC διεύθυνση της κάρτας δικτύου είναι αυτή που όρισε ο κατασκευαστής (Burned In Address (BIA)). Διαφορετικά, αν είναι 1 δηλαδή, τότε αυτό θα σημαίνει πως ο διαχειριστής του δικτύου που αγόρασε την κάρτα για να την χρησιμοποιήσει, άλλαξε την MAC διεύθυνση της.

Β. Επίπεδο Internet. Ασχέτως των επιλογών των πρωτοκόλλων 1ου και 2ου επιπέδου, για να λειτουργήσει μια συσκευή στο Internet, θα πρέπει στο λειτουργικό της σύστημα να υλοποιείται ένα από τα πρωτόκολλα IPv4 ή IPv6. Για τους σκοπούς του μαθήματος θα μελετήσουμε μόνο την 4η έκδοση.

Οι IPv4 διευθύνσεις έχουν μήκος 32 bits. Υπάρχουν δηλαδή 2^32 διαφορετικές διευθύνσεις. Από το 0 έως το 4294967295. Ένας Η/Υ δεν αντιμετωπίσει κανένα πρόβλημα στη διαχείριση τέτοιων αριθμών. Στην αντίπερα όχθη, ο ανθρώπινος νους δεν είναι φτιαγμένος για κάτι τέτοιο.

Οι MAC διευθύνσεις των καρτών δικτύων (επίπεδο Data Link), αν αυτές υπάρχουν, είναι κωδικοποιημένες στα ολοκληρωμένα κυκλώματά τους και δεν χρειάζεται ένας άνθρωπος που χρησιμοποιεί μια εφαρμογή να θυμάται ή να γνωρίζει μια τέτοια διεύθυνση.

Απ' την άλλη, ένας άνθρωπος θα πρέπει να θυμάται την IPv4 διεύθυνση ενός Η/Υ (ανατρέξτε πιο πάνω στο κείμενο και βρείτε το σημείο “Αυτό το τελευταίο ακούγεται σωστό αλλά ... όχι ακριβώς”) στην οποία “τρέχει” μια εφαρμογή που θέλει να χρησιμοποιήσει. Πως αλλιώς; (θα δούμε σε επόμενο χρόνο).

Συνεπώς, μια οργάνωση του δυσθεώρητου πλήθους αυτών των διευθύνσεων είναι απαραίτητη για τον ανθρώπινο νου. Τα 32 bits χωρίζονται σε τέσσερις οκτάδες (Bytes). Κάθε οκτάδα ξεχωρίσει από την επόμενη με μία τελεία. Το 2^8 κάνει 256, άρα, θα πρέπει να διαχειριζόμαστε τέσσερα νούμερα από το 0 μέχρι το 255. Εύκολο! Παράδειγμα: 192.0.2.10


Σ ε λ ί δ α | 11

B.1. Μηχανική IPv4 διευθύνσεων. Οι IPv4 διευθύνσεις έχουν δομή ιεραρχίας δύο επιπέδων:

• Μέρος δικτύου (Network portion N)

• Μέρος δικτυακής συσκευής (Host portion H)

Αυτή η διαφοροποίηση στα bits της IPv4 διεύθυνσης επιτυγχάνεται με την χρήση ενός “βοηθητικού” αριθμού 32 bit και ονομάζεται Μάσκα Υποδικτύου (Subnet Mask). Τα 32 bits χωρίζονται σε τέσσερις οκτάδες bits. Κάθε οκτάδα ξεχωρίζει από την επόμενη από μία τελεία. Γνωστή συνταγή! Όποιο bit της subnet mask ειναι “1”, τότε το αντίστοιχο bit της IPv4 διεύθυνσης είναι N bit (ανήκει στο μέρος δικτύου). Όποιο bit της subnet mask ειναι “0”, τότε το αντίστοιχο bit της IPv4 διεύθυνσης είναι H bit (ανήκει στο μέρος δικτυακής συσκευής).

Παράδειγμα:

IPv4 διεύθυνση: 192.0.2.10

Subnet Mask: 255.255.254.0

1 1 0 0 0 0 0 0 . 0 0 0 0 0 0 0 0 . 0 0 0 0 0 0 1 0 . 0 0 0 0 1 0 1 0

1 1 1 1 1 1 1 1 . 1 1 1 1 1 1 1 1 . 1 1 1 1 1 1 1 0 . 0 0 0 0 0 0 0 0

N N N N N N N N . N N N N N N N N . N N N N N N N H . H H H H H H H H

Περισσότερα στην ώρα τους!

Δραστηριότητα

1. Αναγνωρίστε την κάρτα δικτύου της τερματικής συσκευής που χρησιμοποιείτε.

2. Αναγνωρίστε το καλώδιο που συνδέει την κάρτα δικτύου με την υπόλοιπη τοπολογία του εργαστηρίου.

3. Αναγνωρίστε την τοπολογία του εργαστηρίου (παθητικά και ενεργητικά στοιχεία).

4. Καταγράψτε τις δικτυακές ρυθμίσεις της τερματικής συσκευής με την εντολή ipconfig.

C:\WINDOWS\Desktop>ipconfig 1. Ethernet adapter : IP Address. . . . . . . . . : 0.0.0.0 Subnet Mask . . . . . . . . : 0.0.0.0 Default Gateway . . . . . . : 2. Ethernet adapter : IP Address. . . . . . . . . : 143.233.175.6 Subnet Mask . . . . . . . . : 255.255.255.0 Default Gateway . . . . . . : 143.233.175.44


Σ ε λ ί δ α | 12

5. Δοκιμάστε την εναλλακτική εκτέλεση της εντολής: ipconfig /all. Ποιες επιπλέον πληροφορίες διακρίνετε; Εξηγήστε. 6. Τροποποίηση δικτυακών ρυθμίσεων σε περιβάλλον ΛΣ Windows 10: α) Κουμπί Start. β) Στη συνέχεια επιλέξτε: Settings->Network & Internet->Ethernet>Change adapter options. γ) Και στη συνέχεια:

Εικόνα 8. Τροποποίηση δικτυακών ρυθμίσεων τερματικής συσκευής

Documents

OSI TCP/IP · 2019-10-22 · Για παράδειγμα αν επιλεγεί ο αέρας, τα ηχητικά κύματα και η ελληνική γλώσσα, τότε θα