General
Γλωσσάριο - Ακρωνύμια
Topic outline
Σύντομη Περιγραφή - Ενότητα: 1 - Σχεδιασμός, εγκατάσταση και διαχείριση τοπικών ασύρματων δικτύων
ΕΚΠΑΙΕΥΤΙΚΟ ΥΛΙΚΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ
Ενότητα: 1 - Σχεδιασμός, εγκατάσταση και διαχείριση τοπικών ασύρματων δικτύων
Υποενότητα: 1.1 - Βασικές έννοιες των δικτύων επικοινωνιών
Το εκπαιδευτικό υλικό υπάγεται σε Άδεια Χρήσης
Creative Commons Αναφορά -Μη-Εμπορική Χρήση -Όχι Παράγωγο Έργο v. 3.0
Σύντομη Περιγραφή
Στην υποενότητα «Βασικές έννοιες των δικτυακών επικοινωνιών»:
1. παρουσιάζονται τα σημαντικότερα γεγονότα στην ιστορία των τηλεπικοινωνιών με
έμφαση στα δίκτυα υπολογιστών και στα ασύρματα δίκτυα
2. παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες των δικτύων επικοινωνιών
3. παρουσιάζονται οι βασικές αρχές λειτουργίας των ασύρματων τοπικών δικτύων και τα
είδη τους
Μετά-δεδομένα: Bίκτυα επικοινωνιών, διαδίκτυο, υποδομές δικτύου, ασύρματα δίκτυα δήμων
Συγγραφική Ομάδα: Εμμ. Βαρβαρίγος
Σκοποί και Στόχοι
Στο τέλος της παρούσας εκπαιδευτικής ενότητας οι εκπαιδευόμενοι θα πρέπει να γνωρίζουν:
1) τα γεγονότα και τα συστήματα που σημάδεψαν την ιστορική εξέλιξη των τηλεπικοινωνιών
2) τις ανάγκες και που ιστορικά οδήγησαν στην δημιουργία του διαδικτύου
3) τις κατηγορίες των δικτύων, τις βασικές τοπολογίες και τα μέσα μετάδοσης
4) την ανοικτή προτυποποίηση των δικτύων κατά OSI
5) τις βασικές αρχές του Ethernet
6) ποια είναι η διαδικασία σύνδεσης στο τοπικό δίκτυο
7) τις βασικές αρχές της ασύρματης δικτύωσης, τους τρόπους της διάδοσης, τα μεγέθη που
χαρακτηρίζουν τα τηλεπικοινωνιακά σήματα, τις ιδιαιτερότητες του ασύρματου καναλιού
8) τα είδη των ασύρματων τοπικών δικτύων και τις δυνατές διαμορφώσεις τους
σελ. 2 από 46
9) τα χαρακτηριστικά των μελών της οικογένειας ασύρματων δικτύων 802.11x
10) τα θέματα που σχετίζονται με την αποδοχή των ασύρματων δικτύων από κοινωνική και
επιχειρηματική άποψη
11) σχετικά με τους κινδύνους από την ακτινοβολία των ασύρματων δικτύων
12) καθημερινά παραδείγματα χρήσης των δικτύων μέσα από απλές καθημερινές χρήσεις
χαρακτηριστικών των λειτουργικών συστημάτων και να συνδεθούν με τις αρχές τις
δικτύωσης
13) την τεχνική ορολογία των ενσύρματων και ασύρματων δικτύων
Απαιτούμενη Υποδομή - Οδηγίες
Η αξιοποίηση του εκπαιδευτικού υλικού προϋποθέτει τα παρακάτω :
1) Βασική γνώση ή εμπειρία στην χρήση δικτύων ή του διαδικτύου
2) Κατανόηση των οφελών από την χρήση της ψηφιακής τεχνολογίας
Υποενότητα 1.1: Βασικές έννοιες των δικτύων επικοινωνιών
Περιεχόμενα
1 Εισαγωγή
2 Ιστορική επισκόπηση των τηλεπικοινωνιών
2.1 Ορισμοί
2.2 Πως γεννήθηκαν τα δίκτυα των υπολογιστών
2.3 ARΡΑ
2.4 ΤELENET
2.5 IΝΤΕRΝΕΤ
2.6 WWW
2.7 Ασύρματα δίκτυα
3 Βασικές έννοιες των δικτυακών επικοινωνιών
3.1 Ορισμοί
3.2 Κατηγοριοποίηση δικτύων υπολογιστών
3.3 Τα διαδίκτυα
3.4 Τοπολογίες δικτύων υπολογιστών
3.5 Βασικά ενσύρματα μέσα μετάδοσης
3.5.1 Ομοαξονικό καλώδιο
3.5.2 Καλώδιο σύστροφου ζεύγους
3.5.3 Καλώδιο οπτικών ινών
3.6 Η κάρτα διασύνδεσης δικτύου
3.7 Το τοπικό δίκτυο ETHERNET
4 Σύνδεση σταθμού σε τοπικό δίκτυο
4.1 Ορισμοί
4.2 Βασική τοπολογία και σύνδεση
5 Βασικές έννοιες των ασύρματων δικτύων
5.1 Ορισμοί
5.2 Εισαγωγή
5.2.1 Εύρος ζώνης και ψηφιακή μετάδοση
5.2.2 Bίκτυα υπολογιστών και στοίβα πρωτοκόλλων
5.3 Ασύρματη μετάδοση
5.4 Οι ιδιαιτερότητες του ασύρματου καναλιού
5.4.1 Μέθοδοι ασύρματης μετάδοσης
5.5 Είδη ασύρματων τοπικών δικτύων
5.5.1 Bluetooth
5.5.2 Bίκτυα υπέρυθρης ακτινοβολίας
5.5.3 Η οικογένεια πρωτοκόλλων IEEE 802.11
5.5.4 Κινητό IP
5.5.5 Ομότιμα δίκτυα με επίπεδο δικτύου
5.5.6 Bίκτυα αισθητήρων
5.6 Κεραίες των ασύρματων δικτύων
1 Εισαγωγή
Δίκτυο υπολογιστών είναι ένα σύστημα στο οποίο πολλοί ανεξάρτητοι υπολογιστές συνδέονται
μεταξύ τους με στόχο την κοινή χρήση δεδομένων και περιφερειακών συσκευών όπως
εκτυπωτών, δικτύου και αποθηκευτικών μέσων. Σκοπός της ενότητας είναι η παρουσίαση των
βασικών εννοιών των δικτυακών επικοινωνιών, η κατανόηση των βασικών αρχών που διέπουν
την δικτυακή επικοινωνία και την παρουσίαση των εφαρμογών της παραπάνω γνώσης στα
ασύρματα τοπικά δίκτυα. Στις επόμενες παραγράφους θα αναπτυχθούν οι βασικές έννοιες των
δικτυακών επικοινωνιών και οι βασικές αρχές λειτουργίες των ασύρματων τοπικών δικτύων
καθώς και τα είδη τους.
2 Ιστορική επισκόπηση των τηλεπικοινωνιών
2.1 Ορισμοί
• Τερματικό: μονάδα εργασίας που μεταφέρει είσοδο και έξοδο στον χρήστη χωρίς να ενσωματώνει λογική επεξεργασίας. Τυπικά προσφέρει οθόνη, πληκτρολόγιο και ποντίκι που συνδέονται με μεγάλο επεξεργαστικό σύστημα
• Χρονοκαταμερισμός εργασιών: η διαίρεση του χρόνου λειτουργίας του επεξεργαστή σε πολύ μικρές θυρίδες στις οποίες εκτελούνται διαφορετικές εργασίες. Οι θυρίδες διαρκούν πολύ λίγο και δίνουν την εντύπωση στους τελικούς χρήστες ότι όλες οι εφαρμογές μοιράζονται παράλληλα τον επεξεργαστή
• Συμβατότητα: η ικανότητα δύο συστημάτων να μπορούν να βασίζονται σε κοινά πρότυπα ώστε η χρήση του ενός να μην αποκλείει την χρήση του άλλου
• ΑSCII: σύστημα κωδικοποίησης χαρακτήρων με επτά ψηφία το οποίο κυριάρχησε ως πρότυπο
2.2 Πως γεννήθηκαν τα δίκτυα των υπολογιστών
Από τα αρχαία χρόνια οι άνθρωποι έβρισκαν τρόπους να επικοινωνούν από απόσταση. Ξεκινώντας από τους αγγελιοφόρους, δρομείς δηλαδή, που έκαναν τη μεταφορά προφορικών και γραπτών μηνυμάτων, περνώντας στις φρυκτωρίες που ήταν ένα σύστημα μεταβίβασης φωτεινών σημάτων με διαδοχικό άναμμα φωτιάς στις κορυφές βουνών και που χρησιμοποιήθηκαν για στρατιωτικούς κυρίως σκοπούς από την εποχή του τρωικού πόλεμου έως τους βυζαντινούς χρόνους από τους Έλληνες, και στις πυρσίες που ήταν ο πρώτος οπτικός τηλέγραφος που αναφέρεται στην ιστορία, μέχρι τα ταχυδρομικά περιστέρια και τα τύμπανα τωναφρικανικών φυλών και τα σήματα καπνού των ινδιάνων, φτάσαμε τελικά στο πρώτο πραγματικά ασύρματο τρόπο επικοινωνίας σύμφωνα με τον ορισμό που χρησιμοποιούμε και σήμερα. Με την εξέλιξη της ηλεκτρονικής και την εμφάνιση του ηλεκτρισμού οι επικοινωνίες βελτιώθηκαν ακόμα περισσότερο. Ο Morse με τον τηλέγραφο το 1854 και ο Graham Bell το 1876 με το τηλέφωνο έθεσαν τα θεμέλια μιας νέας εποχής στον κόσμο, όπου οι τηλεπικοινωνίες θα έπαιζαν πλέον βασικό ρόλο στην ανάπτυξή του. Μετά τη δεκαετία του 1950, όπου πραγματοποιείται παράλληλα η ανάπτυξη των υπολογιστών και η ηλεκτρονική επεξεργασία των πληροφοριών, οι τηλεπικοινωνίες αρχίζουν να λαμβάνουν σημαντική θέση στη ζωή του ανθρώπου.
Στα τέλη του 1965 εμφανίστηκε στα προάστια της Βοστόνης μία πρωτοποριακή για την εποχή της εταιρεία εξυπηρέτησης πελατών μέσω υπολογιστών. Η Keydata Corporation, όπως ονομαζόταν, νοίκιαζε δικά της απλά τερματικά, που αποτελούνταν από μία οθόνη και ένα πληκτρολόγιο, χωρίς υπολογιστική ισχύ, σε περίπου 20 επιχειρήσεις με έδρα το κέντρο της πόλης και τα συνέδεε με έναν Univac 491, μεγάλο υπολογιστή που στεγαζόταν στην πανεπιστημιούπολη του Cambridge. Ο κεντρικός αυτός υπολογιστής παρείχε δυνατότητα μηχανογραφημένης τιμολόγησης και ελέγχου διακίνησης σε διάφορες εταιρείες, με νοικιασμένες τηλεφωνικές γραμμές. Για πρώτη φορά μια επιχείρηση μπορούσε να αποκτήσει πρόσβαση σε ένα ισχυρό υπολογιστικό σύστημα με ένα απλό τηλεφώνημα, χωρίς να χρειαστεί να το αγοράσει ή να το νοικιάσει για αποκλειστική χρήση.
Το μέσο για την επίτευξη του σκοπού αυτού ήταν μία νέα τεχνολογία που ονομάστηκε "χρονοκαταμερισμός εργασιών" (time sharing). Ειδικά προγράμματα έδιναν στον κεντρικό υπολογιστή τη δυνατότητα να κατανέμει την υπολογιστική ισχύ σε εκατοντάδες τερματικά, που μπορεί να βρίσκονταν σε μεγάλες αποστάσεις. Αυτό που ουσιαστικά έκανε ο υπολογιστής ήταν να στρέφει την προσοχή του διαδοχικά από τερματικό σε τερματικό και σε κλάσματα του δευτερολέπτου να εκτελεί ένα μικρό μέρος της εργασίας που του ζητούσε το καθένα. Το κλείσιμο του κύκλου ενός περάσματος απ' όλα τα τερματικά ήταν τόσο γρήγορο, που καθένας που το χρησιμοποιούσε έμενε με την εντύπωση ότι ήταν ο μόνος χρήστης του.
Η Keydata δεν ήταν η πρώτη εταιρεία που ανακάλυψε την τεχνική του χρονοκαταμερισμού. Στις αρχές της δεκαετίας του '60 υπήρχαν ήδη πλήθος από εταιρείες και πανεπιστημιακά ερευνητικά κέντρα που έκαναν μελέτες προς αυτή την κατεύθυνση. Μάλιστα πολλές εγκαταστάσεις ήταν ήδη σε λειτουργία το 1965, κυρίως όμως για να εξυπηρετούν επιστημονικούς σκοπούς.
Η εργασία πάνω στο χρονοκαταμερισμό εργασιών άρχισε το 1959, όταν ο John McCarthy, συνιδρυτής του τμήματος τεχνητής ευφυΐας του ΜΙΤ, έγραψε προς τους συνεργάτες του ένα υπόμνημα όπου συλλάμβανε την ιδέα της χρονοκατανομής. Ο McCarthy οδηγήθηκε στην ιδέα εξαιτίας της πολύ αργής επεξεργασίας δεδομένων που είχαν οι μέχρι τότε μέθοδοι μαζικής επεξεργασίας, που έφταναν και ολόκληρα εικοσιτετράωρα, ανάλογα με τον όγκο των δεδομένων. Κι ενώ ο McCarthy συνέλαβε την ιδέα, άλλοι ήταν αυτοί που ανέλαβαν να την υλοποιήσουν. Το 1961 ο μεγάλος υπολογιστής 709 της IBM λειτούργησε ως κεντρικός υπολογιστής σε πολλά τερματικά, ενώ μεγαλύτερη πρόοδος σημειώθηκε στο ΜΙΤ από επιστήμονες που συμμετείχαν στο σχέδιο ΜΑC, το οποίο είχε ξεκινήσει η Υπηρεσία Σχεδίων Προχωρημένης Έρευνας (ΑRPΑ) του Υπουργείου Αμύνης των ΗΠΑ. Το ακρωνύμιο MAC είχε διπλή έννοια. Ερμηνευόταν ως Υπολογιστής Πολλαπλής Προσπέλασης (Multi-Access Computer) ή ως Αναγνώριση με τη Βοήθεια Μηχανής (Machine-Aided Cognition). Στόχος της ΑRPΑ ήταν να προωθήσει την ανάπτυξη νέων τεχνολογιών που θα μπορούσαν να φανούν χρήσιμες στον στρατιωτικό τομέα, έμμεσα ή άμεσα. Με τρία δισεκατομμύρια το χρόνο από την ΑRPΑ, το σχέδιο MAC εξελίχτηκε σε ένα πολύτιμο εργαλείο, που έδινε σε επιστήμονες από διάφορα μέρη πρόσβαση σε έναν ισχυρό υπολογιστή. Η Keydata ήταν η πρώτη που παρείχε την πολλά υποσχόμενη τεχνολογία του χρονομερισμού σε μικρές επιχειρήσεις, οι οποίες δεν είχαν τη δυνατότητα να έχουν το δικό τους υπολογιστή.
Τα συστήματα με τα τερματικά, όπως αυτό της Keydata, ήταν ένα σημαντικό πρώτο στάδιο στην ανάπτυξη των τρόπων σύνδεσης υπολογιστών σε δίκτυα. Σε αυτά τα συστήματα ένας κεντρικός υπολογιστής εξυπηρετούσε πλήθος από τερματικά που συνδέονταν με αυτόν μέσω τηλεφωνικής γραμμής. Κάθε τερματικό μπορούσε να επικοινωνήσει με τον κεντρικό υπολογιστή αλλά όχι με άλλο τερματικό
Και ενώ η Keydata κυριαρχούσε στην αγορά, η General Electric κυκλοφόρησε το δικό της δίκτυο χρονοκαταμερισμού, βασισμένο στο σύστημα Darmouth το οποίο ήταν ένα τοπικό δίκτυο που σχεδιάστηκε στο ομώνυμο πανεπιστήμιο, αρχικά για να εξυπηρετεί τη διδασκαλία της επιστήμης των υπολογιστών. Το σύστημα αυτό χρησιμοποιούσε δύο υπολογιστές: ο ένας επεξεργαζόταν τα στοιχεία που του δίνονταν, ενώ ο άλλος κατεύθυνε τις αιτήσεις των διάφορων τερματικών του δικτύου, δίνοντάς τους μερίδιο από το χρόνο λειτουργίας του συστήματος. Μέχρι το 1968 η General Electric είχε εμπορικά δίκτυα με 50.000 συνδρομητές και 31 κέντρα χρονομερισμού. Το δρόμο της General Electric ακολούθησαν και άλλες εταιρείες, έτσι ώστε μέχρι το τέλος της δεκαετίας να έχουν δημιουργηθεί άπειρα δίκτυα χρονομέτρησης
Ένα από τα μεγάλα εμπόδια στο δρόμο αυτών των εξελίξεων ήταν η ασυμβατότητα μεταξύ των υπολογιστών. Ένας υπολογιστής μπορεί να χρησιμοποιούσε διαφορετικό σύστημα κωδικοποίησης γραμμάτων και αριθμών από κάποιον άλλο ή ένα μηχάνημα μπορεί να έστελνε δεδομένα με μία ταχύτητα που ένα άλλο να μην ήταν σε θέση να παρακολουθήσει. Για την εξέλιξη των δικτύων, τέτοιου είδους αποκλίσεις έπρεπε να ληφθούν σοβαρά υπόψη. Αυτό έγινε με μια σειρά κανόνων που είναι γνωστοί ως πρωτόκολλα που περιέγραφαν με ακρίβεια τη μορφή που θα πάρουν τα δεδομένα προτού σταλούν μέσω δικτύου, την ταχύτητα με την οποία πρέπει να γίνει η μετάδοση, τον τρόπο ελέγχου των δεδομένων για ενδεχόμενα σφάλματα που μπορεί να προκύψουν στη διαδρομή κ.ά. Από ελεύθερη σκοπιά τα πρωτόκολλα δίνουν την ευκαιρία σε διαφορετικά είδη και τύπους υπολογιστών να μιλήσουν κοινή γλώσσα. Ακολουθώντας την εξέλιξη των δικτύων από τα τερματικά στη σύνδεση υπολογιστών με την ομαδοποίηση, τα αναγκαία πρωτόκολλα για τη λειτουργία των δικτύων γίνονταν όλο και πιο περίπλοκα. Το πρώτο και βασικότερο, που αναπτύχθηκε στις αρχές της δεκαετίας του '60, προτού ακόμα εμφανιστεί η ομαδοποίηση, ήταν αυτό που αφορούσε στην ύπαρξη καθολικού κώδικα για την αναπαράσταση των δεδομένων. Μέχρι τότε κάθε κατασκευαστής υπολογιστών είχε τον δικό του τρόπο αναπαράστασης των δεδομένων στο εσωτερικό των μηχανημάτων του, ενώ ορισμένοι κατασκευαστές έφταναν στο σημείο να έχουν διαφορετικό κώδικα για κάθε μοντέλο. Χαρακτηριστικό το παράδειγμα της εταιρείας ΙΒΜ, που το 1960 διέθετε στο εμπόριο εννέα μοντέλα της, καθένα από τα οποία είχε διαφορετικό κώδικα αναπαράστασης των δεδομένων.
Η ανάπτυξη ενός πρωτοκόλλου κωδικοποίησης ανατέθηκε σε μία επιτροπή του Αμερικανικού Οργανισμού Τυποποίησης, την τρίτη που σχηματιζόταν για ζητήματα πληροφορικής. Το 1964 και έπειτα από προσπάθειες τεσσάρων ετών, η επιτροπή κατέληξε σε ένα σχήμα για κωδικοποίηση 128 χαρακτήρων με εφτά ψηφία για το καθένα, το οποίο έγινε γνωστό ως ASCII και θεωρήθηκε πρότυπο. Άλλα δύο χρόνια πέρασαν για να συμφωνήσει ο Bιεθνής Οργανισμός Τυποποίησης (ΙSΟ) να υιοθετήσει το ASCII για διεθνή χρήση. Κατά μεγάλο μέρος υπεύθυνη γι' αυτή την καθυστέρηση ήταν η ΙΒΜ, που υποστήριζε το δικό της σύστημα οκταψήφιας κωδικοποίησης. Με την καθιέρωση του ASCII ως κοινού προτύπου κωδικοποίησης των πληροφοριών, εμφανίστηκε η ανάγκη ενός ακόμα πρωτοκόλλου που να καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο θα μεταδιδόταν η κωδικοποιημένη πληροφορία μέσω modem από τα σύρματα του συμβατικού τηλεφωνικού δικτύου. Για την προτυποποίηση των διαδικασιών διασύνδεσης υπολογιστών και modem αναπτύχθηκε στις ΗΠΑ ένα πρωτόκολλο, το 1969, έπειτα από συμφωνία της Bell και της Ομοσπονδίας Βιομηχανιών Ηλεκτρονικής. Φέροντας την ονομασία RS-232-C καλύπτει ικανοποιητικά όλες τις πλευρές του διαλόγου μεταξύ υπολογιστή και modem Το ASCII και το RS-232-C ήταν εύκολο να εγκατασταθούν σε υπολογιστές σε σχέση με τις δυσκολίες των υπερβολικών απαιτήσεων συμβατότητας που προέβαλαν τα δίκτυα σύνδεσης υπολογιστών με ομαδοποίηση, όπως το ARPANET. Τα πρωτόκολλα για μια τέτοια σύνδεση ήταν
απίστευτα περίπλοκα, τη στιγμή που έπρεπε να ελεγχθούν όλα τα θέματα, όπως οι φυσικές και ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ των κεντρικών υπολογιστών και του δικτύου, η ανίχνευση σφαλμάτων και οι τρόποι σχηματισμού και οδήγησης των πακέτων. Τα πράγματα μάλιστα γίνονταν πιο δύσκολα, με κάθε δίκτυο να έχει και ένα διαφορετικό σύνολο πρωτοκόλλων. Το δίκτυο της Telenet αποτελεί ένα τυπικό δείγμα του προβλήματος. Η εταιρεία είχε σχηματίσει ένα πρωτόκολλο για τη σύνδεση κεντρικών υπολογιστών στο δίκτυο. Αυτό το πρωτόκολλο, που δανειζόταν πολλά στοιχεία από το ARPANET και τις ιδέες που ανέπτυξε η ΙΒΜ, απαιτούσε ειδικό προγραμματισμό χωρίς άλλη επιβάρυνση σε εξαρτήματα. Ο Stu Mathison, ένας από τους ιδρυτές του Telenet, θυμάται ακόμα πως γελούσαν οι περισσότεροι πελάτες όταν έβλεπαν τις 100 σελίδες με τις προδιαγραφές που έπρεπε να αποκτήσει ένας υπολογιστής, με επιβάρυνση του πελάτη, για να συνδεθεί με το δίκτυο.
Το 1974 το θέμα της ανεύρεσης προτύπου για την επικοινωνία υπολογιστών και δικτύων ομαδοποίησης έγινε επιτακτική ανάγκη. Η ΙΒΜ είχε ανακοινώσει πρόσφατα το δικό της σχήμα δικτύου, το SNA (System Network Architecture), που είχε σκοπό να ενώνει τα δικά της μοντέλα υπολογιστών. Τα βρετανικά ταχυδρομεία, η γαλλική Transpack και η τηλεφωνική εταιρεία του Καναδά αποφάσισαν να μην αφήσουν την ΙΒΜ να καθιερώσει την πολιτική της. Bιεθνείς οργανισμοί ανέλαβαν τη δημιουργία ενός νέου διεθνούς πρωτοκόλλου επικοινωνίας μέσω ομαδοποίησης, που ονομάστηκε Χ.25, στις 2 Μαρτίου του 1976 Η πλατιά αποδοχή του Χ.25 άνοιξε τις πόρτες για την ανάπτυξη των δικτύων ομαδοποίησης στιςΗΠΑ και σε άλλες χώρες. Οι κατασκευαστές άρχισαν να εγκαθιστούν το πρωτόκολλο ως μέρος των συστημάτων τους, καθιστώντας εύκολη τη σύνδεση ενός υπολογιστή με τα πρότυπα Χ.25 σε ένα τέτοιο δίκτυο. Αργότερα δημιουργήθηκε και το Χ-75, διεθνές πρότυπο για την επικοινωνία δικτύων από διαφορετικές χώρες. Η εφαρμογή των πρωτοκόλλων Χ-25 και Χ-75 στη δεκαετία του 1970, αλλά και η άνθιση των προσωπικών υπολογιστών στη δεκαετία του 1980 βοήθησαν αρκετά στην εξάπλωση των δικτύων. Στη δεκαετία του 1960 όμως, στα δίκτυα με τερματικά όπως αυτό του Darmouth δεν προέκυπτε πρόβλημα ασυμβατότητας μεταξύ των υπολογιστών: Ο συνδρομητής του δικτύου εφοδιαζόταν από την αρχή με το κατάλληλο τερματικό και το κατάλληλο τηλεπικοινωνιακό υλικό. Η έλλειψη συμβατότητας ως πρόβλημα παρουσιαζόταν μόνο σε συνδρομητές πολλών διαφορετικών δικτύων, που για να έχουν πρόσβαση σε διαφορετικούς κεντρικούς υπολογιστές αναγκάζονταν να αγοράζουν διάφορα τερματικά, το καθένα για διαφορετικό δίκτυο.
Τα προβλήματα αρμοδιοτήτων και συμβατότητας έγιναν ορατά όταν άρχισαν οι πειραματισμοί προς την κατεύθυνση του επόμενου βήματος της εξέλιξης των δικτύων: την επικοινωνία μεταξύ κεντρικών υπολογιστών. Όταν παρουσιάστηκε η δυνατότητα να συνυπάρξουν αρκετοί κεντρικοί υπολογιστές στο δίκτυο, παρουσιάστηκαν ζητήματα σχετικά με το ποιες διευθετήσεις θα μπορούσαν να γίνουν για να μεταφράζονται τα δεδομένα σε μια κοινή γλώσσα.
2.3 ARΡΑ
Στόχος του γιγαντιαίου σχεδίου που ξεκίνησε η ARPA το 1960 ήταν να συνδεθούν σε ένα παναμερικανικό δίκτυο περίπου 12 υπολογιστές διαφορετικών τύπων που εδράζονταν σε κολέγια, εργαστήρια και ερευνητικά ιδρύματα, τα οποία μετείχαν σε έρευνες του Υπουργείου Άμυνας. Ο όρος ARPA (Advanced Research Projects Administration - διαχείριση έργων προχωρημένης έρευνας) προέρχεται από το ομώνυμο τμήμα του αμερικανικού Υπουργείου Αμύνης που διαχειριζόταν τη χρηματοδότηση των ερευνών. Αξίζει να σημειωθεί ότι αυτό το τμήμα σήμερα ονομάζεται σήμερα DARRA, το D αντιπροσωπεύει τη λέξη defense (άμυνα) έτσι ώστε να μην υπάρχει πλέον αμφιβολία ότι τα χρήματα επενδύονται για αμυντικούς σκοπούς. Αρχιτέκτονας του σχεδίου, που έμελλε να γίνει γνωστό ως ARPANET, ήταν ο Lawrence Roberts, διευθυντής του τμήματος τεχνικών επεξεργασίας υπολογιστών της ARPA. Προτού περάσει στην υπηρεσία του δικτύου, το 1967, ο Roberts είχε πάρει το διδακτορικό του ως ηλεκτρονικός μηχανικός από το ΜΙΤ. Προς το τέλος του 1969, όταν και άρχισε να λειτουργεί κανονικά το δίκτυο ARPANET, είχε συνδέσει μόνο τρία ερευνητικά κέντρα της Bυτικής Ακτής και το Πανεπιστήμιο της Γιούτα. Σε λιγότερο από δύο χρόνια, όμως, επεκτάθηκε σε 15 κόμβους με μίνι υπολογιστές διάσπαρτους σε διάφορα σημεία των ΗΠΑ. Μέσα στην επόμενη δεκαετία το δίκτυο γιγαντώθηκε, φτάνοντας τους 100 κόμβους και περιλαμβάνοντας δορυφορική σύνδεση με κέντρα που βρίσκονταν στη Χαβάη, τη Μεγάλη Βρετανία και τις σκανδιναβικές χώρες, ενώ εξυπηρετούσε περισσότερους από 10.000 χρήστες. Το δίκτυο χρησιμοποιούσε τη δυναμική αναδρομολόγηση (dynamic rerouting) και αυτό το καθιστούσε αρκετά αξιόπιστο. Αν κάποιος από τους συνδέσμους του δικτύου αχρηστευόταν εξαιτίας εχθρικής επίθεσης, η κυκλοφορία του συγκεκριμένου συνδέσμου μπορούσε να αναδρομολογηθεί σε άλλους συνδέσμους.
2.4 ΤELENET
Στα πρώτα χρόνια της δεκαετίας του 1970 το ARPANET ήταν ακόμα στην παιδική του ηλικία. Η απροσδόκητη επιτυχία του ενέπνευσε τον Lawrence Roberts να οραματιστεί την πλατιά εφαρμογή του. Το ARPANET περιοριζόταν μόνο σε προγράμματα που ενδιέφεραν το Υπουργείο Αμύνης. Ο Lawrence έβλεπε πέρα από αυτόν τον ορίζοντα και μπορούσε να διακρίνει μία τεράστια σε δυνατότητες αγορά για ένα ανοιχτό στο ευρύ κοινό δίκτυο με ομαδοποίηση, που θα μπορούσε να συνδέει τους διαφορετικούς υπολογιστές και τερματικά κάθε είδους πελατών του, είτε αυτοί ήταν κολέγια, είτε επιχειρήσεις, είτε κρατικές υπηρεσίες. Mία εταιρεία που επένδυσε στο όραμα του Roberts, ήταν η εταιρεία έρευνας και ανάπτυξης του Cambridge, που είχε παίξει βασικό ρόλο στη δημιουργία του ARPANET, η Bolt Beranek και Newman. Προς το τέλος του 1972, η εταιρεία αυτή είχε δημιουργήσει μία θυγατρική, τον οργανισμό τηλεπικοινωνιών Telenet, με σκοπό τη δημιουργία ενός ανοιχτού στο κοινό δικτύου ομαδοποίησης. Τον επόμενο χρόνο ο Roberts προσελήφθη ως πρόεδρος της νέας αυτής εταιρείας. Η Telenet άρχισε να παρέχει υπηρεσίες σε εφτά πόλεις μέσα στο 1975. Bέκα χρόνια αργότερα το δίκτυο της Telenet είχε σαφώς υποσκελίσει το ARPANET. Παρέχοντας υπηρεσίες σε περισσότερο από μισό εκατομμύριο τερματικά και σε 400 πόλεις των ΗΠΑ, το δίκτυο Telenet συνέδεε περίπου 1.500 υπολογιστές και είχε επικοινωνιακή πρόσβαση σε πληροφοριακά δίκτυα περισσότερων από πενήντα άλλων χωρών. Οι υπηρεσίες που παρέχονταν στο δίκτυο κάλυπταν όλο το επικοινωνιακό φάσμα, από ηλεκτρονικό ταχυδρομείο και πρόσβαση σε τράπεζες πληροφοριών μέχρι επεξεργασία των δεικτών πωλήσεων μίας επιχείρησης
Το παράδειγμα του Telenet, του πρώτου δημόσιου δικτύου που βασιζόταν στην τεχνική της ομαδοποίησης, ακολούθησαν στα μέσα της δεκαετίας του '70 και άλλες εταιρείες προσφέροντας παρόμοιες υπηρεσίες. Ένας από τους κυριότερους ανταγωνιστές του Telenet (όπως φυσικά και του ARPANET) ήταν το Teamnet. Παράλληλα, το ARPANET εξακολουθούσε να προσελκύει όλο και περισσότερους χρήστες, παρά την εμφάνιση των νέων δικτύων. Το σύστημα ανοιγόταν διαρκώς σε κάθε εκπαιδευτικό ίδρυμα ή διεθνή ερευνητικό οργανισμό που επιθυμούσε να το χρησιμοποιήσει ενώ απαραίτητη ήταν η προϋπόθεση η χώρα στην οποία άνηκε ο οργανισμός να ήταν σύμμαχος των ΗΠΑ. Πολλές όμως ήταν και οι παρενέργειες που προκάλεσε αυτή η μαζική προσέλευση στο δίκτυο, καθώς όλο και μεγαλύτερος αριθμός πανεπιστημίων εγγράφονταν, με συνέπεια την όλο και δυσκολότερη διαχείριση του δικτύου.
Μέχρι το 1983, το ARPANET είχε μεγαλώσει τόσο πολύ ώστε παρουσιάστηκε η ανάγκη να μεταφερθεί το στρατιωτικό τμήμα του σε ένα ξεχωριστό δίκτυο, που ονομάστηκε MILNET. Ωστόσο τα δύο δίκτυα παρέμεναν συνδεδεμένα, χάρη στο πρωτόκολλο διαδικτύωσης ΙΡ που επέτρεπε στα δεδομένα να δρομολογούνται από το ένα δίκτυο στο άλλο, ανάλογα με την περίπτωση
Λίγο αργότερα το NSF (National Science Foundation - Εθνικό 'Ίδρυμα Επιστημών) αποφάσισε να χρηματοδοτήσει την εγκατάσταση και τη λειτουργία μέσα από το ΑRPANET πέντε κέντρων υπερυπολογιστών για ερευνητική χρήση. Η ιδέα αυτή είχε ως σκοπό να βοηθήσει τους ερευνητές σε ολόκληρη την Αμερική να μπορούν να στέλνουν τα προγράμματά τους για εκτέλεση στους υπερυπολογιστές μέσω του δικτύου και να παίρνουν πίσω αποτελέσματα. Στην εφαρμογή της η ιδέα αυτή δεν είχε τα αποτελέσματα που αναμένονταν από την NSF κι έτσι το ίδρυμα δημιούργησε το δικό του ταχύτερο δίκτυο για την επιτυχία του σχεδίου. Το δίκτυο αυτό, που ονομάστηκε NSFNET, συνέδεε μια σειρά από περιφερειακά δίκτυα μεταξύ τους με σκοπό την επικοινωνία όλων των χρηστών της χώρας. Η ιδέα ενός νέου δικτύου ήταν απόλυτα επιτυχημένη. Μέχρι το 1990 μεταφέρθηκαν τόσοι χρήστες από το ΑRPANET στο NSFNET, ώστε ύστερα από είκοσι χρόνια εργασίας το ARPANET αναγκάστηκε να κλείσει. Όταν ξεκίνησε να λειτουργεί το NSFNET, πολλά περιφερειακά δίκτυα είχαν συνδεθεί με τα κέντρα των υπερυπολογιστών. Μερικά, μάλιστα, είχαν αρχίσει να πουλάνε λογαριασμούς πρόσβασης σε κοινές επιχειρήσεις και άτομα και με τη συνένωση αυτών των δικτύων γεννήθηκε το Ιnternet. Μέχρι το 1994 στο Ιnternet είχαν εδραιωθεί διάφορα εμπορικά δίκτυα που επέτρεπαν την κυκλοφορία σε δεδομένα κάθε είδους, αντίθετα με το NSFNET που δεχόταν την κυκλοφορία δεδομένων που αφορούσαν μόνο στην εκπαίδευση και την έρευνα. Έτσι, το δίκτυο αφανίστηκε και το φορτίο του μεταφέρθηκε σε εμπορικά δίκτυα.
2.5 IΝΤΕRΝΕΤ
Οι ρίζες του δικτύου έχουν ήδη αναζητηθεί στα τέλη της δεκαετίας του 1960. Όμως η πραγματική χρονολογία γέννησής του είναι το 1974. Ο Serf, καθηγητής του Πανεπιστημίου της California στο Los Angeles, μετά από παραγγελία του Πενταγώνου, δημιούργησε εκείνες τις κοινές προδιαγραφές που επέτρεπαν την ενοποίηση όλων των υπολογιστών και τις βάφτισε Ιnternet. Ο Serf είχε ανακαλύψει ότι οι υπολογιστές, όπως και οι άνθρωποι, διακρίνονται από ένα είδος ομαδικότητας και αγγίζουν τα μέγιστα της αποτελεσματικότητάς τους όταν συνδεθούν με άλλους υπολογιστές.
2.6 WWW
H μαζική ανάπτυξη του γαλαξία του Internet είναι φαινόμενο πολύ πιο πρόσφατο. Χρονολογείται από το 1989, όταν τέθηκε σε εφαρμογή το WWW (World Wide Web), ο παγκόσμιος ιστός, ο οποίος λειτουργεί με βάση την μεταφορά υπερ-κειμένου (hyper-text) στο οποίο είναι γραμμένες όλες οι διαδικτυακές σελίδες. Αυτό το πρωτόκολλο σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε στο εργαστήριο σωματιδιακής φυσικής στο Cern της Ελβετίας. Το πρωτόκολλο υλοποιήθηκε στο πλαίσιο μιας προσπάθειας ενοποίησης του κυκεώνα της διαθέσιμης πληροφορίας και κατασκευής ενός εργαλείου, που θα ελαχιστοποιούσε την ανάγκη χρησιμοποίησης διαφορετικών προγραμμάτων για την αξιοποίηση των πηγών πληροφορίας του Internet.
Η απίστευτη ανάπτυξη του WWW τα τελευταία χρόνια λίγο απέχει από το όνειρο του Ted Nelson, φοιτητή του Harvard τριάντα χρόνια πριν, οποιοσδήποτε να μπορούσε να έχει πρόσβαση σε κάθε κείμενο, ηχογράφηση και βίντεο μέσω του υπολογιστή του. Η ολοένα αυξανόμενη επεξεργαστική ισχύς των υπολογιστών και τα projects του Cern κάνουν πραγματικότητα αυτό που τότε φαινόταν όνειρο.
Η ιστορία του WWW είναι εκπληκτικά μικρή. Αρχίζει τον Μάρτιο του 1989. Η αρχική πρόταση γράφτηκε από τον Tim Berners Lee με στόχο την ανταλλαγή ιδεών μεταξύ των μελών της επιστημονικής κοινότητας. Η υλοποίηση του σχεδίου ξεκίνησε τον Νοέμβριο του 1990 με την κατασκευή του πρώτου πρωτοτύπου σε περιβάλλον NeXT (Amiga). Μέχρι τα Χριστούγεννα του ίδιου έτους ήταν έτοιμοι δύο clients, μέσω των οποίων έγινε η επίδειξη πρόσβασης σε κείμενα υπερκειμένου. Έναν χρόνο αργότερα, μέσω ενός λίστας ηλεκτρονικού ταχυδρομείου του Cern, ο κόσμος έμαθε για την ύπαρξη του WWW. Αμέσως μετά την ανακοίνωσή του, η NCSA (National Center for Supercomputing Applications) ξεκίνησε την κατασκευή ενός interface για το WWW, το οποίο κάλυπτε όλες τις υπολογιστικές πλατφόρμες και ονομάστηκε Mosaic. Οι αρχικές εκδόσεις του αναπτύχθηκαν για το γραφικό περιβάλλον X-Windows του Linux. Η ελεύθερη διάθεσή του μέσω Internet συνέβαλε σημαντικά στην εξάπλωση του WWW. Ακολούθησαν εκδόσεις για Windows, Macintosh, NeXT, καλύπτοντας έτσι την πλειονότητα των λειτουργικών συστημάτων που χρησιμοποιούνται μέχρι και σήμερα.
Τον Ιανουάριο του 1993 υπήρχαν ήδη 50 WWW servers σε όλο το Internet, ενώ ο server του Cern δεχόταν χιλιάδες κλήσεις καθημερινά. Χαρακτηριστικά, η διακίνηση πληροφοριών μέσω τηλεπικοινωνιακών γραμμών διπλασιαζόταν κάθε τέσσερις μήνες. Το WWW άλλαξε ολοκληρωτικά τον τρόπο μετάδοσης και απεικόνισης της πληροφορίας στο Internet. Έτυχε μάλιστα ευρείας αποδοχής εξαιτίας της εκπληκτικής ισχύς και της εξαιρετικής φιλικότητάς του προς το χρήστη. Χάρη στο WWW ο αριθμός των ανά τον κόσμο συνδεδεμένων υπολογιστών στο διαδίκτυο διπλασιάζεται κάθε χρόνο, ενώ ο αριθμός των σελίδων πολλαπλασιάζεται κάθε τρεις μήνες.
2.7 Ασύρματα δίκτυα
Ήταν ο ασύρματος του Marconi ο οποίος άρχισε να πειραματίζεται με τον ηλεκτρομαγνητισμό το 1894 και πέτυχε την πρώτη μετάδοση μηνύματος χωρίς την χρήση συρμάτων. Αυτή του η εφεύρεση χρησιμοποιήθηκε στα πλοία και χρησιμοποιούταν ακόμα και πριν από λίγα χρόνια. Τον περασμένο αιώνα έγινε ένα μεγάλο άλμα τις τηλεπικοινωνίες. Κι αυτό έγινε με τη χρήση δορυφόρων που επέτρεψε την εύκολη διασύνδεση απομακρυσμένων περιοχών της υδρογείου και κατήργησε την ανάγκη χρήσης συρμάτινων αγωγών τεράστιου μήκους η την χρήση πολλών και ισχυρών επίγειων αναμεταδοτών. Ο πρώτος τηλεπικοινωνιακός δορυφόρος εκτοξεύτηκε από τη NASA στις 12 Αυγούστου 1960.
3 Βασικές έννοιες των δικτυακών επικοινωνιών
3.1 Ορισμοί • Bίκτυο: το σύνολο των υλικών και μηχανισμών λογικής που απαιτείται για την επικοινωνία απομακρυσμένων κόμβων • Κόμβος: οποιαδήποτε δικτυακά ενεργή οντότητα. Αν δεν διευκρινίζεται το είδος του μπορεί να αναφέρεται σε δικτυακή συσκευή ή τερματική συσκευή, όπως οι υπολογιστές. • Bιακομιστής: κόμβος εντεταλμένος στην παροχή συγκεκριμένης υπηρεσίας ή υπηρεσιών δικτύου όπως ηλεκτρονικού ταχυδρομείου, διαδικτυακών σελίδων, αντιπροσώπευσης • Τοπολογία: η κατηγοριοποιημένη διάταξη των κόμβων του δικτύου • Τοπικό δίκτυο: δίκτυο τοπικής εμβέλειας • Μητροπολιτικό δίκτυο: δίκτυο που τυπικά καλύπτει την έκταση μιας πόλης • Bίκτυο ευρείας περιοχής: δίκτυο που επεκτείνεται σε ευρείες περιοχές • Ομότιμο δίκτυο: δίκτυο όπου όλοι οι κόμβοι έχουν ακριβώς την ίδια συμμετοχή στην λειτουργία του δικτύου. Σε τέτοια δίκτυα δεν υπάρχει ιεράρχηση των κόμβων • Bίκτυο διακομιστών: το αντίθετο του ομότιμου δικτύου, όπου κάποιοι κόμβοι αναλαμβάνουν την φιλοξενία διακομιστών • Bιαδίκτυα: δίκτυα που προκύπτουν από την διασύνδεση πολλών δικτύων ευρείας περιοχές σε παγκόσμια κλίμακα • Μέσο μετάδοσης: το φυσικό μέσο από το οποίο μεταδίδεται το τηλεπικοινωνιακό σήμα • Κάρτα δικτύου: το τυπικό περιφερειακό των υπολογιστών που υλοποιεί τις δικτυακές λειτουργίες και επιτρέπει την επικοινωνία με τα δίκτυα • Το δίκτυο Ethernet: το πιο κοινό πρότυπο ενσύρματου τοπικού δικτύου.
3.2 Κατηγοριοποίηση δικτύων υπολογιστών Για την οργάνωση των δικτύων και την αποσαφήνιση των εννοιών στην συνέχεια παρουσιάζεται η κατηγοριοποίηση των δίκτυα υπολογιστών. Τα δίκτυα μπορούν να κατηγοριοποιηθούν βάσει διαφόρων κριτηρίων όπως είναι η έκταση, το μέσο σύνδεσης, το είδος των κόμβων, την τοπολογία, την πρόσβαση. Πιο συγκεκριμένα τα δίκτυα κατηγοριοποιούνται: Ανάλογα με την έκταση: σελ. 14 από 46 • Προσωπικά δίκτυα (personal area networks - PAN): είναι τα πιο μικρά σε εμβέλεια δίκτυα, τα οποία τυπικά καλύπτουν την εμβέλεια του προσωπικού χώρου. Στην πλειονότητα των τεχνολογιών πρόκειται για ασύρματα δίκτυα. • Τοπικά δίκτυα (local area network - LAN): Μπορεί να είναι απλά, δυο υπολογιστές συνδεδεμένοι με καλώδιο, έως πάρα πολύ περίπλοκα συνδέοντας εκατοντάδες υπολογιστές και περιφερειακά μιας επιχείρησης. Το χαρακτηριστικό γνώρισμα ενός τοπικού δικτύου είναι ότι περιορίζεται σε μια συγκεκριμένη γεωγραφική περιοχή. Είναι απλό στη δημιουργία και βασικό ως προς τον εξοπλισμό και την αρχιτεκτονική. • Μητροπολιτικά: Ένα μητροπολιτικό δίκτυο (metropolitan area network - MAN) είναι μια μεγαλύτερη εκδοχή ενός τοπικού δικτύου καθώς καλύπτει μεγαλύτερες αποστάσεις, π.χ. από μια ομάδα γειτονικών γραφείων μιας εταιρείας έως μια πόλη • Bίκτυο ευρείας κάλυψης (wide area network - WAN): καλύπτουν μεγάλες γεωγραφικές περιοχές, π.χ. από σύνδεση μεταξύ διαφορετικών πόλεων μέχρι μιας ολόκληρης ηπείρου και μπορούν να συνδέσουν ακόμη και περισσότερα από ένα τοπικά δίκτυα καθώς και ομάδες τοπικών δικτύων. Τα περισσότερα δίκτυα ευρείας περιοχής χρησιμοποιούν διάφορες τεχνολογίες και ενδιάμεσα δίκτυα όπως τηλεφωνικά δίκτυα ή δορυφόρους
Ανάλογα με το μέσο σύνδεσης: • Ενσύρματα δίκτυα, στα οποία οι κόμβοι συνδέονται με σύρμα σελ. 15 από 46 • Ασύρματα δίκτυα, στα οποία οι κόμβοι συνδέονται μέσω του αέρα Ανάλογα με την κατηγοριοποίηση των κόμβων: • Ομότιμα δίκτυα (AD-HOC): Σε ένα ομότιμο δίκτυο όλοι οι υπολογιστές είναι ισότιμοι και μπορούν να διαθέτουν πόρους για κοινή χρήση και να χρησιμοποιούν πόρους άλλων υπολογιστών για να συνδέονται με άλλα δίκτυα ή το διαδίκτυο. • Bίκτυα βασισμένα σε διακομιστές: Σε ένα δίκτυο βασισμένο σε διακομιστές ένας ή περισσότεροι υπολογιστές λειτουργούν ως διακομιστές και παρέχουν τους πόρους στο δίκτυο. Οι υπόλοιποι υπολογιστές είναι πελάτες που χρησιμοποιούν τους πόρους τους οποίους παρέχει ο διακομιστής.
Ανάλογα με την τοπολογία: • Bίκτυα διαύλου, στα οποία οι υπολογιστές συνδέονται σε κοινό μέσω το οποίο έχει την μορφή κοινού διαύλου ο οποίος ξεκινά από έναν κόμβο και τερματίζει σε κάποιον άλλον, έχει δηλαδή αρχή και τέλος. • Bίκτυα δακτυλίου, στα οποίο οι υπολογιστές συνδέονται σε κυκλική καλωδιακή υποδομή δικτύου. Ο δακτύλιος μπορεί να είναι απλός ή διπλός για λόγους ασφάλειας και διαθεσιμότητας του δικτύου • Τοπολογίας αστέρα, στο οποίο υπάρχει κεντρικό σημείο στο οποίο συνδέονται όλοι οι κόμβοι • Bίκτυα πλέγματος, στα οποία κάθε κόμβος συνδέεται με τους υπόλοιπους μέσα από αποκλειστικές μόνιμες ζεύξεις. Πρόκειται για ασφαλή τοπολογία, με αυξημένο κόστος Εκτενής αναφορά στις τοπολογίες γίνεται στην αντίστοιχη παράγραφο, 1.4. Ανάλογα με την πρόσβαση: • Bημόσια, στα οποία η πρόσβαση είναι ανοικτή σε οποιονδήποτε χρήστη • Ιδιωτικά, στα οποία η πρόσβαση περιορίζεται σε ιδιωτικό επίπεδο.3.3 Τα διαδίκτυα Τα διαδίκτυα είναι δίκτυα ευρείας περιοχής τα οποία καλύπτουν γεωγραφικές περιοχές μίας ή περισσοτέρων ηπείρων διασυνδέοντας πολλά στον αριθμό επιμέρους δίκτυα. Σε ένα διαδίκτυο μπορεί να συνυπάρχουν διασυνδεδεμένοι υπολογιστές και κόμβοι που χρησιμοποιούν διαφορετικές τεχνολογίες και λειτουργικά συστήματα. Το διαδίκτυο (internet) είναι το μεγαλύτερο τέτοιου είδους δίκτυο. Λόγω της σημασίας του, τα διαδίκτυα έχουν λάβει διακριτή τους θέση στην κατηγοριοποίηση των δικτύων υπολογιστών.
3.4 Τοπολογίες δικτύων υπολογιστών Τοπολογία ενός δικτύου είναι ο τρόπος με το οποίο συνδέονται τα δομικά του στοιχεία, δηλαδή οι κόμβοι του. Κάθε διαφορετική τοπολογία κατηγοριοποιεί και χαρακτηρίζει με φυσικό τρόπο το δίκτυο διότι προσδιορίζει συγκεκριμένα χαρακτηριστικά, όπως είναι η απόδοση, η διαθεσιμότητα, τα πλεονεκτήματα και οι περιορισμοί που απορρέουν από την κάθε τοπολογία.
Τοπολογία Bίαυλου (bus): Οι διάφορες συσκευές είναι συνδεδεμένες σε ένα μόνο κοινόχρηστο καλώδιο οπού σε κάθε άκρο πρέπει να υπάρχει μια τερματική αντίσταση • Πλεονεκτήματα: οικονομία σε υλικά καλωδιώσεων και αντίστοιχες εργασίες, απλότητα • Μειονεκτήματα: χαμηλή απόδοση για μεγάλο φορτίο, δύσκολος εντοπισμός προβλημάτων, χαμηλή αξιοπιστία - ένα κομμένο καλώδιο μπορεί να αποκόψει μεγάλο μέρος του δικτύου Τοπολογία αστεριού (star): Bημιουργείται με την υλοποίηση συνδέσεων μέσω καλωδίων τα οποία ξεκινούν από ένα κεντρικό, κοινό κομβικό σημείο το οποίο ονομάζεται HUB. • Πλεονεκτήματα: εύκολη τροποποίηση της δομής του δικτύου, εύκολη η προσθήκη νέων κόμβων, ενώ υπάρχει και ευκολία στην κεντρική παρακολούθηση και διαχείριση • Μειονεκτήματα: Αν υποστεί βλάβη το κεντρικό σημείο το θα χαθεί η επικοινωνία μεταξύ όλων των κόμβων που αυτό συνδέει
Τοπολογία δακτυλίου (ring): Υλοποιείται από την σύνδεση των κόμβων του δικτύου μέσω ενός καλωδίου το οποίο σχηματίζει κυκλικό βρόχο. • Πλεονεκτήματα: μέσω του δακτυλίου προσφέρεται εύκολη πρόσβαση για όλους τους κόμβους, ενώ οι επιδόσεις είναι ομοιόμορφες ανεξάρτητα από το πλήθος των χρηστών • Μειονεκτήματα: βλάβη σε έναν κόμβο μπορεί να επηρεάσει το υπόλοιπο δίκτυο, ενώ είναι δύσκολος ο εντοπισμός προβλημάτων. Επιπλέον μειονέκτημα είναι ότι η αναδιευθέτηση απαιτεί διακοπή της λειτουργίας του δικτύου. Τοπολογία πλέγματος (mesh): Όλοι οι υπολογιστές συνδέονται μεταξύ τους με ξεχωριστά καλώδια. • Πλεονεκτήματα: αυξημένη αξιοπιστία λόγω πλεονασμού συνδέσεων, όπως και η ευκολία εύρεσης και αντιμετώπισης προβλημάτων • Μειονεκτήματα: ακριβή εγκατάσταση λόγω του ότι χρησιμοποιείται μέγιστο μήκος καλωδίων.
3.5 Βασικά ενσύρματα μέσα μετάδοσης Μέσο μετάδοσης είναι το υλικό που διαβιβάζει το σήμα που μεταφέρει την πληροφορία κατά μήκος του δικτύου. Τα μέσα μετάδοσης εξελίσσονται, και η εξέλιξη τους είναι στενά συνδεδεμένη με την εξέλιξη των επικοινωνιών και των δικτύων. Παρακάτω παρουσιάζονται τα ποιο διαδεδομένα καλώδια που χρησιμοποιούνται στα δίκτυα υπολογιστών.
3.5.1 Ομοαξονικό καλώδιο Τα ομοαξονικά καλώδια αποτελούνται από χάλκινο πυρήνα, μονωτικό υλικό, εξωτερικό αγωγό πλέγματος και προστατευτικό κάλυμμα (σχήμα 4). Το σήμα διαδίδεται από την πυρήνα και καταλήγει σε συζευκτήρα ΒΝC ο οποίος διασυνδέει το καλώδιο με τους κόμβους. Τα ομοαξονικά καλώδιο κυκλοφορούν σε δύο ποιότητες, thicknet και thinnet. Το καλώδιο thinnet έχει πάχος περίπου 6.4 χιλιοστά και μπορεί να μεταφέρει δεδομένα σε απόσταση 185 μέτρα. Το thicknet έχει διάμετρο περίπου 1,27 εκατοστά και μπορεί να μεταφέρει ένα σήμα σε απόσταση έως και 500 μέτρα. Οι δυο ποιότητες διαφέρουν ανάλογα με το πώς μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε εκτεθειμένες περιοχές και σε κλειστούς χώρους.
3.5.2 Καλώδιο σύστροφου ζεύγουςΠρόκειται για το παλαιότερο και μέχρι σήμερα περισσότερο διαδεδομένο μέσο μετάδοσης. Αποτελείται από δύο μεμονωμένα χάλκινα σύρματα πάχους συνήθως 1mm. Τα σύρματα συστρέφονται σε ελικοειδή μορφή, όπως η έλικα του DNA. Ο σκοπός της στρέψης είναι η μείωση της ηλεκτρονικής παρεμβολής. Είναι μικρού κόστους, όμως δεν υποστηρίζει υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων σε μεγάλες αποστάσεις. Κυκλοφορεί με θωράκιση (STP) είτε μη θωρακισμένο (UTP). Το πλήθος των συστροφών ανά μονάδα μήκους και η προστατευτική θωράκιση παρέχουν προστασία από τις παρεμβολές. Για την σύνδεση των καλωδίων αυτών με κόμβους και υπολογιστές χρησιμοποιούνται συζευκτήρες τηλεφώνου RJ-45
3.5.3 Καλώδιο οπτικών ινών Το καλώδιο οπτικών ινών αποτελείται από πλέγμα ινών, συνήθως από γυαλί, μέσα σε προστατευμένη θωράκιση. Η μετάδοση των πληροφοριών γίνεται σε μορφή ανακλώμενων παλμών φωτός, χωρίς καμία ενίσχυση. Έχει τη βέλτιστη μόνωση στο θόρυβο, μέγιστη ταχύτητα μετάδοσης πληροφοριών, αλλά μεγάλο κόστος. Το μέσο μετάδοσης είναι μία εξαιρετικά λεπτή ίνα γυαλιού. Στο τέρμα της ίνας υπάρχει ανιχνευτής φωτός που για κάθε φωτεινό παλμό που πέφτει πάνω του δημιουργεί έναν ηλεκτρικό παλμό.
3.6 Η κάρτα διασύνδεσης δικτύου Οι κάρτες διασύνδεσης δικτύου (NIC - network interface cards) λειτουργούν συνήθως ως φυσική διασύνδεση μεταξύ του υπολογιστή και της καλωδίωσης του δικτύου. Αφού εγκατασταθεί η κάρτα NIC, το καλώδιο του δικτύου συνδέεται στην θύρα της για να γίνει εφικτή η πραγματική φυσική σύνδεση μεταξύ του υπολογιστή και του υπόλοιπου δικτύου. O ρόλος της κάρτας δικτύου είναι: • Η προετοιμασία δεδομένων του υπολογιστή για να διοχετευτούν στο καλώδιο του δικτύου. • Η αποστολή των δεδομένων σε έναν άλλον υπολογιστή. • Ο έλεγχος ροής των δεδομένων μεταξύ του υπολογιστή και του καλωδιακού συστήματος. • Η λήψη εισερχόμενων δεδομένων από το καλώδιο του δικτύου και η μετατροπή τους σε bytes που θα μπορούν να γίνουν κατανοητά από την κεντρική μονάδα επεξεργασίας του υπολογιστή (CPU) Για να υπάρχει συμβατότητα μεταξύ του υπολογιστή και του δικτύου πρέπει η κάρτα δικτύου να είναι συμβατή με την εσωτερική δομή του υπολογιστή και να έχει το σωστό τύπο συζευκτήρα καλωδίου για την καλωδίωση. Χαρακτηριστικό για τις κάρτες δικτύου είναι ότι είναι αναγνωρίσιμες κατά την λειτουργία τους από την μοναδική για κάθε κάρτα διεύθυνση πρόσβασης μέσου (MAC address). Οι κάρτες δικτύου συνδέονται με την ταχύτητα επικοινωνίας η οποία είναι η ταχύτητα με την οποία η κάρτα δικτύου στέλνει ή δέχεται δεδομένα σε μορφή δυαδικού ψηφίου (bit) ή ψηφιολέξης (byte). Μετριέται σε ψηφία ανά δευτερόλεπτο (bps - bits per second) ή ψηφιολέξεις ανά δευτερόλεπτο (Bps - bytes per second), αντίστοιχα. Στα ενσύρματα δίκτυα οι κάρτες δικτύου συνδέονται ή ενσωματώνονται στην μητρική πλακέτα του σταθμού εργασίας ως περιφερειακές συσκευές. Οι ασύρματες κάρτες δικτύου επιπροσθέτως προσφέρονται σε μορφές μικρών εξωτερικών συσκευών όπως USB sticks.
3.7 Το τοπικό δίκτυο ETHERNET Το Ethernet είναι το συνηθέστερα χρησιμοποιούμενο πρωτόκολλο ενσύρματης τοπικής δικτύωσης υπολογιστών. Αναπτύχθηκε από την εταιρεία Xerox κατά τη δεκαετία του '70 και έγινε δημοφιλές αφότου η Digital Equipment Corporation και η Intel, από κοινού με τη Xerox, προχώρησαν στην προτυποποίησή του το 1980. Το 1985 το Ethernet έγινε αποδεκτό επίσημα από τον οργανισμό IEEE ως το πρότυπο 802.3 για ενσύρματα τοπικά δίκτυα. Το αρχικό Ethernet επέτρεπε ονομαστικούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων της τάξης των 3 Mbps, μέσω ενός ομοαξονικού καλωδίου στο οποίο συνδέονταν οι επιμέρους κόμβοι υπολογιστές του δικτύου. Τη διασύνδεση αναλάμβανε μία κάρτα δικτύου Ethernet προσαρτημένη σε κάθε κόμβο. Κάθε μια από τις κάρτες χαρακτηρίζεται από μία μοναδική, εργοστασιακή 48-bit διεύθυνση MAC. Σήμερα έχουν εμφανιστεί νεότερες εκδόσεις του Ethernet με επιτρεπτούς ρυθμούς μετάδοσης δεδομένων μέχρι 10Gbps. Στη μεγάλη πλειονότητα των περιπτώσεων μαζί με το Ethernet χρησιμοποιείται για τον έλεγχο πρόσβασης στο κοινό μέσο ο αλγόριθμος CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), ο οποίος αυξάνει την απόδοση της επικοινωνίας αναγνωρίζοντας πότε μπορεί να γίνει επιτυχής μετάδοση. Στον πίνακα ΙΙ παρουσιάζεται σύγκριση τεσσάρων τοπολογιών Ethernet των 10 Mbps.
4 Σύνδεση σταθμού σε τοπικό δίκτυο
4.1 Ορισμοί • Ενεργό στοιχείο δικτύου: υπολογιστικό σύστημα που διεκπεραιώνει δικτυακές λειτουργιές όπως η αποθήκευση και η προώθηση της πληροφορίας. Τέτοια συστήματα είναι οι επαναλήπτες, οι γέφυρες και οι δρομολογητές • Πύλη εξόδου: το ενεργό στοιχείο που συνδέει ένα δίκτυο με εξωτερικά δίκτυα • Bιεύθυνση διαδικτύου: ο μοναδικός αριθμός μήκους 32 ψηφίων (bits) που αποτελεί την δικτυακή ταυτότητα του κάθε σταθμού εργασίας • Μάσκα διαδικτύου: η περιγραφή που καθορίζει του εύρους των διευθύνσεων δικτύου που μπορεί να περιλαμβάνει ένα συγκεκριμένο δίκτυο. • Αριθμητική διεύθυνση δικτύου: η αριθμητική μορφή της διεύθυνσης δικτύου σύμφωνα με τα ισχύοντα πρότυπα. Πχ: 192.12.342.23 σελ. 25 από 46 • Μνημονική διεύθυνση δικτύου: η μνημονική μορφή που έχει αντιστοιχιστεί σε κάποια αριθμητική διεύθυνση για να είναι πιο εύκολη στη χρήση από τους ανθρώπους. Πχ η διεύθυνση 192.12.342.23 μπορεί να αντιστοιχεί στην www.kedke.gr • Εξυπηρετητής ονοματολογίας: ο εξυπηρετητής (server) που έχει αναλάβει να εξυπηρετεί ένα εύρος ονομάτων (πχ sch.gr) δηλαδή να μετατρέπει τις μνημονικές διευθύνσεις δικτύου σε αριθμητικές.4.2 Βασική τοπολογία και σύνδεση Για την σύνδεση ενός σταθμού εργασίας σε ένα τοπικό δίκτυο απαιτείται η βασική κατανόηση των αρχών της δικτύωσης. Η τυπική συνδεσμολογία παρουσιάζεται στο σχήμα 8. Ο σταθμός εργασίας καθώς οι όλοι οι σταθμοί που βρίσκονται στο ίδιο υποδίκτυο συνδέονται με ένα ενεργό στοιχείο του δικτύου το οποίο υλοποιεί την κοινή σύνδεση. Στην τυπική περίπτωση θα πρόκειται για κάποιο είδος δρομολογητή το οποίο λόγω της λειτουργίας που επιτελεί, δηλαδή την υλοποίηση του κοινού τοπικού δικτύου και την διασύνδεση με εξωτερικά δίκτυα ή και το διαδίκτυο, ονομάζεται πύλη εξόδου (gateway).
Για την επιτυχή σύνδεση του σταθμού στο δίκτυο απαιτείται η φυσική σύνδεση της κάρτας με το δίκτυο μέσω της εισαγωγής του καλωδίου δικτύων που προέρχεται από το τοπικό δίκτυο (σχήμα 9). Στη συνέχεια απαιτείται ρύθμιση των ιδιοτήτων της καρτέλας της τοπικής σύνδεσης του σταθμού. Ανοίγοντας την καρτέλα αυτή ο χρήστης μπορεί να καθορίσει τα πρωτόκολλα δικτύου που έχουν ρυθμιστεί να λειτουργούν στις διαδικτυακές συνδέσεις (σχήμα 10). Στην τυπική περίπτωση οι ιδιότητες της τοπικής σύνδεσης περιλαμβάνουν τα απαραίτητα πρωτόκολλα επικοινωνίας από την εγκατάσταση των οδηγών της κάρτας του δικτύου όπως το πρωτόκολλο για δίκτυα Microsoft, το πρωτόκολλο για διαμοιρασμό εκτυπωτών και αρχείων, το πρωτόκολλο IP.
Στο σχήμα 11 παρουσιάζονται οι ρυθμίσεις του πρωτοκόλλου IP μιας σύνδεσης τοπικού δικτύου. Πρόκειται για τις τελικές ρυθμίσεις που απαιτούνται για τη σύνδεση. Εφόσον το δίκτυο υποστηρίζει αυτόματη ρύθμιση των παραμέτρων αυτών μέσω της ύπαρξης διακομιστή δυναμικής ρύθμισης (DHCP), ο χρήστης δεν χρειάζεται να προβεί σε κάποια ρύθμιση. Στην περίπτωση αυτή οι ιδιότητες της καρτέλας παρουσιάζονται στο σχήμα 11α. Στην περίπτωση που πρέπει να γίνει μη αυτόματη ρύθμιση (σχήμα 11β) ο χρήστης θα πρέπει να εισαγάγει τα εξής στοιχεία: • Bιεύθυνση διαδικτύου: πρόκειται για την διεύθυνση του σταθμού εργασίας για την αναγνώριση του από το πρωτόκολλο διαδικτύου. Η διεύθυνση έχει μήκος 32 bit και μπορεί να λαμβάνει συγκεκριμένες τιμές σε κάθε δίκτυο τις οποίες είναι υπεύθυνοι να αποδίδουν οι διαχειριστές των δικτυακών υποδομών. • Μάσκα υποδικτύου: καθορίζει το εύρος των διευθύνσεων διαδικτύου που είναι επιτρεπτές σε κάθε δίκτυο. Η χρήση των μασκών διαδικτύου επιτρέπει τον διαχωρισμό των διαδικτύων σε υποδίκτυα τα οποία αποτελούν διαφορετικούς χώρους διευθύνσεων πρωτοκόλλου IP και αυτόνομους διαχειριστικούς τομείς. • Bιεύθυνση πύλης εξόδου: για την επικοινωνία με εξωτερικά δίκτυα οι σταθμοί εργασίας πρέπει να γνωρίζουν την διεύθυνση της πύλης εξόδου (βλ σχήμα 8). Με τον τρόπο αυτόν απευθύνονται στην πύλη εξόδου για να απευθύνουν συνδέσεις προς μη τοπικούς προορισμούς όπως εξωτερικά δίκτυα ή το διαδίκτυο.
5 Βασικές έννοιες των ασύρματων δικτύων
5.1 Ορισμοί • Ασύρματο δίκτυο: το τηλεπικοινωνιακό δίκτυο στο οποίο το μέσο μετάδοσης είναι ο αέρας και όχι κάποιο ενσύρματο μέσο • Συχνότητα: ο αριθμός που εκφράζει πόσες φορές επαναλαμβάνεται η μεταβολή που χαρακτηρίζει ένα τηλεπικοινωνιακό σήμα στη μονάδα του χρόνου. Μετριέται σε μεταβολές (κύκλους) ανά δευτερόλεπτο δηλαδή Hertz (Hz) • Φέρον κύμα: το τηλεπικοινωνιακό κύμα που μεταφέρει το σήμα πληροφορίας. Μπορεί να παραλληλιστεί με το κανάλι συντονισμού στο ραδιόφωνο ή στην τηλεόραση Εύρος ζώνης: το σύνολο των συχνοτήτων που περιέχει ένα σήμα. • Ψηφιακό σήμα: ένα σήμα που λαμβάνει διακριτές τιμές σε αντίθεση με το αναλογικό • Αναλογικό σήμα: είναι σήμα που λαμβάνει συνεχείς τιμές • Κωδικοποίηση: η διαδικασία μετατροπής του σήματος σε δυαδικές τιμές που να μπορούν να μετατραπούν σε μεταδιδόμενα σήματα • Ρυθμός μετάδοσης: ο αριθμός που εκφράζει την ονομαστική ποσότητα της πληροφορίας που μεταδίδεται από μια ζεύξη στην μονάδα του χρόνου • Κανάλια επικοινωνίας: οι επιμέρους υποδιαιρέσεις του εύρους ζώνης στις οποίες είναι δυνατή η αυτόνομη μετάδοση/επικοινωνία για ένα σύστημα • Bιαμόρφωση: η διαδικασία τελικής μετατροπής της πληροφορίας σε αναλογικό σήμα για να μεταδοθεί • Πρωτόκολλο επικοινωνίας: το σύνολο των προδιαγραφών και κανόνων που ορίζουν την τις απαραίτητες λειτουργίες για την υλοποίηση μιας συγκεκριμένης δικτυακής λειτουργίας • Θόρυβος: οποιοδήποτε σήμα ή παρεμβολή που αλλοιώνει το αρχικό σήμα πληροφορίας • Ανίχνευση λαθών: το σύνολο των διαδικασιών που ανιχνεύουν ή και διορθώνουν λάθη που μπορεί να εισέρχονται κατά την μετάδοση της πληροφορίας5.2 Εισαγωγή
Ασύρματα δίκτυα είναι τα τηλεπικοινωνιακά δίκτυα που χρησιμοποιούν ραδιοκύματα για την μετάδοση της πληροφορίας. Τα δεδομένα μεταφέρονται μέσω ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων, με συχνότητα φέροντος η οποία εξαρτάται κάθε φορά από τον ρυθμό μετάδοσης δεδομένων που απαιτείται να υποστηρίζει το δίκτυο. Φέρον λέγεται ο ηλεκτρομαγνητικό κύμα που μεταφέρει την πληροφορία και το οποίο τυπικά χαρακτηρίζεται από τη συχνότητά του. Η ασύρματη επικοινωνία, σε αντίθεση με την ενσύρματη, δεν χρησιμοποιεί ως μέσο μετάδοσης κάποιον τύπο καλωδίου, αλλά τον αέρα. Σε παλαιότερες εποχές τα τηλεφωνικά δίκτυα ήταν αναλογικά, αλλά σήμερα όλα τα ασύρματα δίκτυα βασίζονται σε ψηφιακή τεχνολογία.
Σχήμα11: Το πρόβλημα της ύπαρξης πολλών καλωδίων Στα ασύρματα δίκτυα εντάσσονται τα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας, οι δορυφορικές επικοινωνίες, τα ασύρματα δίκτυα ευρείας περιοχής (WWAN), τα ασύρματα μητροπολιτικά δίκτυα (WMAN), τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) και τα ασύρματα προσωπικά δίκτυα (WPAN). Τα τέσσερα τελευταία εξετάζονται σε αυτήν την υποενότητα. Η τηλεόραση και το ραδιόφωνο, αν και ως μέσα επικοινωνίας είναι στις περισσότερες περιπτώσεις ασύρματα, δεν συμπεριλαμβάνονται στα ασύρματα δίκτυα, καθώς η μετάδοση γίνεται προς πάσα κατεύθυνση χωρίς να υπάρχει κάποιο δομημένο «δίκτυο» τηλεπικοινωνιακών κόμβων με τη συνήθη έννοια του «ενεργού» δικτύου. Η επικοινωνία σε αυτά τα δίκτυα είναι μονόπλευρη από τον πομπό στους δέκτες και όχι αντίστροφα.
Σχήμα 12: Ένας φορητός υπολογιστής ο οποίος επικοινωνεί ασύρματα μέσω ραδιοκυμάτων με σημείο πρόσβασης το οποίο συνδέεται στο Internet ή σε κάποιο ενσύρματο LAN 5.2.1 Εύρος ζώνης και ψηφιακή μετάδοση Τα ψηφιακά σήματα είναι ροές δυαδικών ψηφίων που μπορούν να κωδικοποιούν τις μεταβολές μιας συνεχούς φυσικής ποσότητας. Η μέθοδος κωδικοποίησης συνήθως ορίζει συγκεκριμένα μόνο επίπεδα τιμών που μπορεί να πάρει το σήμα, το καθένα εκ των οποίων αντιστοιχεί σε μία ακολουθία ενός ή περισσότερων bits. Μία τέτοια ακολουθία από bits ονομάζεται σύμβολο. Έτσι, το σήμα μπορεί να αναπαρασταθεί ως κυματομορφή σε ένα γράφημα, ο κάθετος άξονας του οποίου αντιστοιχεί στην ποσότητα που μεταβάλλεται και ο οριζόντιος στον χρόνο. Αυτό το σήμα που μεταφέρει κωδικοποιημένη πληροφορία δεν έχει μία συγκεκριμένη συχνότητα μια και δεν είναι καν περιοδική κυματομορφή, αλλά ισοδυναμεί με άθροισμα πολλών περιοδικών ημιτονοειδών σημάτων, ελαφρώς διαφορετικών συχνοτήτων των οποίων η παράθεση συνθέτει το ολικό. Ο μετασχηματισμός Fourier καταδεικνύει πόσο συμμετέχει το ημίτονο κάθε πιθανής συχνότητας στο ολικό σήμα, ενώ το σύνολο των συχνοτήτων που συμμετέχουν λέγεται εύρος ζώνης του σήματος και μετράται σε Hertz (Hz). Ένα ψηφιακό σήμα μπορεί να μεταδώσει μόνο ψηφιακά δεδομένα, ενώ αντίθετα ένα αναλογικό σήμα στο οποίο η φυσική ποσότητα μεταβάλλεται με συνεχή τρόπο μπορεί να μεταδώσει τόσο ψηφιακά όσο και αναλογικά δεδομένα. Όταν μεταδίδονται ψηφιακά δεδομένα, ο ρυθμός μετάδοσης μπορεί να μετρηθεί ως ψηφία (bits) ή ως σύμβολα ανά δευτερόλεπτο.
Κάθε μέσο μετάδοσης μπορεί να μεταδώσει σήματα που περιέχουν συχνότητες μόνο εντός ενός συγκεκριμένου εύρους. Αυτό το εύρος ονομάζεται εύρος ζώνης του καναλιού. Αν ο μετασχηματισμός Fourier ενός σήματος δείξει ότι αυτό περιέχει συχνότητες εκτός του διαθέσιμου από το κανάλι εύρους ζώνης, τότε μετά την κωδικοποίηση, αλλά πριν τη μετάδοση, απαιτείται το σήμα να υποστεί διαμόρφωση, μία διεργασία που προσαρμόζει κατάλληλα το τελευταίο, ώστε να εμπίπτει στο εύρος ζώνης του καναλιού. Χαρακτηριστικά παραδείγματα του μηχανισμού της διαμόρφωσης είναι το ραδιόφωνο και τα γνωστά modems που χρησιμοποιούνται στην επικοινωνία υπολογιστών μέσω του τηλεφωνικού δικτύου. Στην πλειονότητα των περιπτώσεων αυτό γίνεται με το αρχικό σήμα να πολλαπλασιάζεται (στο πεδίο της συχνότητας) με ένα υψίσυχνο ημιτονοειδές σήμα το οποίο δεν είναι σήμα πληροφορίας, το φέρον. Το προκύπτον σήμα είναι το σήμα που μεταφέρει τα δεδομένα. Συνήθως η ίδια μέθοδος μετάδοσης προσδιορίζει ταυτόχρονα και την κωδικοποίηση και τη διαμόρφωση. Οι μέθοδοι αυτές εκτελούνται μέσω ηλεκτρονικών διατάξεων στον πομπό και αντιστρέφονται στον παραλήπτη.
5.2.2 Δίκτυα υπολογιστών και στοίβα πρωτοκόλλων Οι τηλεπικοινωνίες περιγράφονται με όρους υπολογιστών, καθώς οι περισσότερες τηλεπικοινωνιακές συσκευές διαχειρίζονται ψηφιακά δεδομένα. Ακόμα και τα κινητά τηλέφωνα κατ' ουσία δεν είναι παρά μικροί σε μέγεθος και δυνατότητες ηλεκτρονικοί υπολογιστές. Στα δίκτυα υπολογιστών η αποστολή και η λήψη δεδομένων γίνεται σε βήματα, όπου διαδοχικά επίπεδα επεξεργασίας παρεμβάλλονται στα υπό εξέταση τηλεπικοινωνιακά δεδομένα και εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες που σχετίζονται με την μετάδοση της πληροφορίας. Το σύνολο κανόνων στο οποίο υπακούν αυτές οι λειτουργίες, καθώς και η προτυποποιημένη μορφή των δεδομένων που υφίστανται επεξεργασία σε κάθε επίπεδο ονομάζεται πρωτόκολλο επικοινωνίας του αντίστοιχου επιπέδου. Τα πρωτόκολλα αυτά σχηματίζουν, όπως λέμε, μία "στοίβα" η οποία χαρακτηρίζει επακριβώς τον τύπο και τον τρόπο επικοινωνίας. Για παράδειγμα, ένα γνωστό πρωτόκολλο είναι το πρωτόκολλα διαδικτύου (internet protocol - IP) στο οποίο οφείλει το όνομά του το διαδίκτυο (internet).
Σχήμα 14: Bιαδοχικά βήματα επεξεργασίας κατά την αποστολή πληροφορίας Οι εφαρμογές που χρησιμοποιούν ένα δίκτυο συλλέγουν και επεξεργάζονται τα δεδομένα τα οποία επιθυμούν να αποστείλουν στο δίκτυο σύμφωνα με προδιαγραφές που ονομάζονται πρωτόκολλα. Τα πρωτόκολλα προδιαγράφουν επιπλέον στοιχεία που προστίθενται στα δεδομένα που μεταφέρονται στο δίκτυο προκειμένου να υποστηριχθούν οι δικτυακές λειτουργίες. Έτσι καθορίζουν "ετικέτες" ώστε να γίνεται κατανοητή η φύση των δεδομένων, π.χ. αν είναι κρυπτογραφημένη η επικοινωνία, με ποιόν τρόπο, τι είδους υπηρεσία αφορά η επικοινωνία κτλ.
Οι ετικέτες και τα δεδομένα σχηματίζουν πακέτα πληροφορίας τα οποία προωθούνται στα επίπεδα της λογικής μέχρι να αποδοθούν στο μέσο μετάδοσης. Ανάλογα με την λειτουργία που επιτελούν τα πρωτόκολλα επικοινωνία στρωματώνονται σε μια στοίβα η οποία αποτελείται από τα γνωστά 7 επίπεδα της στοίβας πρωτοκόλλων OSI (Open Systems Interconnection reference model).
Η διαστρωμάτωση των πρωτοκόλλων είναι απαραίτητη λόγω των διαφορετικών υπηρεσιών που παρέχει κάθε επίπεδο. Το φυσικό επίπεδο και το επίπεδο ζεύξης δεδομένων, από κοινού, ουσιαστικά επιτυγχάνουν την αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων στο ίδιο φυσικό μέσο (π.χ. σε ένα τοπικό δίκτυο ή σε σύνδεση από σημείο σε σημείο) και υλοποιούνται σε υλικό στην γνωστή κάρτα δικτύου. Το επίπεδο δικτύου προδιαγράφει τη δρομολόγηση πακέτων διαμέσου διαφορετικών αλληλοσυνδεόμενων δικτύων. Προφανώς, το επίπεδο δικτύου απαιτεί κοινό υποεπίπεδο ελέγχου λογικών συνδέσεων σε όλα τα επιμέρους δίκτυα, ώστε τα εκπεμπόμενα πλαίσια να είναι κατανοητά από όλα τα τελευταία, ενώ επιτρέπει την αποστολή δεδομένων κατά μήκος μεγάλων γεωγραφικών αποστάσεων. Το επίπεδο μεταφοράς παρέχει μία αφαίρεση επικοινωνίας από άκρο σε άκρο, σαν να μη μεσολαβεί ένα πλήθος ενδιάμεσων δικτύων και η διαδικασία της δρομολόγησης, ενώ το επίπεδο εφαρμογών ορίζει τα πραγματικά δεδομένα και τις πραγματικές υπηρεσίες που παρέχονται απευθείας στον χρήστη.
5.3 Ασύρματη μετάδοση Ραδιοκύματα ονομάζονται οι χαμηλές συχνότητες του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, που εκτείνονται περίπου από τα 3 KHz ως τα 300 GHz. Οι ασύρματες τηλεπικοινωνίες γίνονται συνήθως με ραδιοκύματα ευρείας εκπομπής δηλαδή από συχνότητες 30 MHz ως 1 GHz, ή με μικροκύματα που έχουν συχνότητες από 2 GHz ως 40 GHz. Τα ραδιοκύματα χαμηλότερων συχνοτήτων γενικά εξασθενούν σχετικά γρήγορα, αφού συγκριτικά μεταφέρουν λίγη ενέργεια, αλλά έχουν την ικανότητα να διαπερνούν τα φυσικά εμπόδια. Τα κύματα υψηλότερων συχνοτήτων διαδίδονται σε μεγαλύτερες αποστάσεις, αλλά ανακλώνται ευκολότερα από φυσικά εμπόδια. Επίσης, όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα ενός κύματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η κατευθυντικότητά του, μπορεί δηλαδή να εκπεμφθεί σε μία σχετικά στενή δέσμη αντί προς πάσα κατεύθυνση. Έτσι, μιλώντας γενικά, τα μικροκύματα είναι κατευθυντικά ενώ τα ραδιοκύματα ευρείας εκπομπής όχι.
Υπάρχουν τέσσερις βασικοί τρόποι διάδοσης κυμάτων για τις ασύρματες τηλεπικοινωνίες: • Bιάδοση εδάφους: γίνεται μετάδοση σε χαμηλές συχνότητες, που όμως ακολουθούν την κυρτή επιφάνεια της Γης λόγω διάθλασης τους από την ατμόσφαιρα, κι έτσι καλύπτουν ικανοποιητικές αποστάσεις. Έχουν το μειονέκτημα της ταχείας εξασθένησης. • Ατμοσφαιρική διάδοση: πρόκειται για μετάδοση υψηλών συχνοτήτων των οποίων η ισχύς δεν εξασθενεί εύκολα, μεταδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις μέσω διαδοχικών ανακλάσεων τους από την ιονόσφαιρα στο έδαφος και αντίστροφα - ώσπου να φτάσουν στον παραλήπτη. • Bιάδοση Γραμμής Όρασης: γίνεται μετάδοση σε πολύ μεγάλες συχνότητες, που δεν ανακλώνται από τις επιφάνειες. Οι κεραίες βρίσκονται σε οπτική επαφή και το κύμα εκπέμπεται κατευθυνόμενο από τη μία στην άλλη. Πρέπει να ληφθεί υπόψη η διάθλαση λόγω της ατμόσφαιρας και έτσι αυτός ο τρόπος αποδίδει καλύτερα για επικοινωνίες μακριά από την επιφάνεια της γης. • Ανάκλαση εδάφους δύο ακτινών: η μετάδοση από τον πομπό στο δέκτη γίνεται με δύο συνιστώσες, με απευθείας μετάδοση από οπτική επαφή και με έμμεση λήψη μετά από ανάκλαση στο έδαφος. Εφαρμόζεται σε περιπτώσεις που η επικοινωνία γίνεται σε μικρή απόσταση και κοντά στην επιφάνεια του εδάφους (π. χ. ασύρματα τοπικά δίκτυα υπολογιστών).
5.4 Οι ιδιαιτερότητες του ασύρματου καναλιού
Στην ασύρματη μετάδοση υπεισέρχονται διάφοροι παράγοντες, που δημιουργούν προβλήματα στην επικοινωνία: η κατάσταση της ατμόσφαιρας και η διάθλαση επηρεάζουν το σήμα και η μεγάλη απόσταση εξασθενεί την ισχύ του. Οι απώλειες του ασύρματου καναλιού συνοψίζονται στον όρο «απώλειες ελεύθερου χώρου». Ο κάθε παράγοντας έχει διαφορετική επίδραση σε σήματα διαφορετικών συχνοτήτων. Επίσης ό,τι δεν ανήκει στην προς μετάδοση πληροφορία ονομάζεται θόρυβος και είναι είτε θερμικός, ο οποίος προκαλείται από τις κεραίες, εξαρτάται από τη θερμοκρασία και δεν μπορεί να εξαλειφθεί, είτε εξωτερικός που προκαλείται από ακούσιες εκπομπές από διάφορες ηλεκτρικές συσκευές λόγω κατασκευαστικών ατελειών, είτε από παρεμβολές άλλων εκπομπών σε επικαλυπτόμενες συχνότητες. Ο θόρυβος είναι εξίσου σημαντική επιβάρυνση στην επικοινωνία όσο και οι απώλειες ελεύθερου χώρου. Ένα άλλο φαινόμενο που ενυπάρχει στην ασύρματη μετάδοση και επιβαρύνει την επικοινωνία είναι οι πολλαπλές οδεύσεις, που οφείλονται στην ανάκλαση, διάθλαση και σκέδαση του σήματος κατά τη διάδοση του. Τα φαινόμενα αυτά έχουν ως αποτέλεσμα ένα σήμα να φτάνει στον αποδέκτη πολλές φορές, με χρονική διαφορά, ενώ μπορεί διαφορετικά σήματα να φτάνουν την ίδια χρονική στιγμή παρεμβαλλόμενα το ένα με το άλλο. Το φαινόμενο όμως που δημιουργεί τα περισσότερα προβλήματα είναι οι διαλείψεις, η απότομη μεταβολή του πλάτους του σήματος, οι οποίες διαχωρίζονται σε υψίσυχνες και αργές, ενώ αντιμετωπίζονται με κάποιες τεχνικές που εκμεταλλεύονται τις πολλαπλές οδεύσεις για να αναγνωρίσουν σωστά το σήμα.
5.4.1 Μέθοδοι ασύρματης μετάδοσης Για τη μετάδοση του σήματος υπάρχουν δύο βασικές μέθοδοι: η εκπομπή στενής ζώνης (narrow band) και η διασπορά φάσματος (spread spectrum). Η πρώτη είναι η ευρέως διαδεδομένη μέθοδος κατά την οποία το εύρος ζώνης του εκπεμπόμενου κύματος είναι κατά πολύ μικρότερο από την κεντρική συχνότητα του φορέα. Κάθε τεχνική στενής ζώνης συμπεριλαμβάνει και μία τυποποιημένη διαδικασία διαμόρφωσης με φέρον κύμα όπως AM, FM για αναλογικά και ASK, FSK, PSK για ψηφιακά δεδομένα αντίστοιχα. Η δεύτερη μέθοδος είναι πιο πρόσφατη, παρέχει υψηλή αξιοπιστία και ασφάλεια σε υψηλό κόστος και βασίζεται στη διαμόρφωση της πληροφορίας προτού εκπεμφθεί με έναν κώδικα διασποράς ο οποίος έχει ως αποτέλεσμα τη διασπορά του εκπεμπόμενου φάσματος σε μεγάλο εύρος ζώνης. Αυτή η διασπορά οδηγεί και σε πολλαπλασιασμό του δυνατού ρυθμού μετάδοσης δεδομένων στο φυσικό επίπεδο, σύμφωνα με το θεώρημα Shannon. Οι διάφορες μέθοδοι διασποράς φάσματος συμπεριλαμβάνουν και μία τεχνική διαμόρφωσης, η τελευταία όμως έχει επικρατήσει να ονομάζεται διαμόρφωση μόνο σε εκπομπές στενής ζώνης. Συνήθως η διασπορά φάσματος υλοποιείται με μία από τις παρακάτω τρεις μεθόδους: • Bιαπήδηση συχνότητας (Frequency Hopping - FHSS): Το εύρος ζώνης χωρίζεται σε υποζώνες συχνοτήτων, καθεμία από τις οποίες έχει εύρος ανάλογο μίας εκπομπής στενής ζώνης, και ο κώδικας διασποράς ουσιαστικά καθορίζει σε ποια υποζώνη θα μεταπηδά η επικοινωνία σε τακτά χρονικά διαστήματα. Τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης θα πρέπει να συντονίζονται διαρκώς σε διαφορετική φέρουσα συχνότητα με τον ίδιο τρόπο (ο οποίος καθορίζεται από τον κώδικα) και στις ίδιες χρονικές στιγμές. |ς αποτέλεσμα κάποιος τρίτος που δε γνωρίζει τον κώδικα δεν μπορεί να υποκλέψει πληροφορία ή να παρεμβληθεί στη μετάδοση παρά ελάχιστα, αφού δε θα γνωρίζει πότε να συντονιστεί σε άλλη συχνότητα και σε ποια. • Άμεσης ακολουθίας (Direct Sequence - DSSS): Για κάθε bit που πρόκειται να μεταδοθεί εκπέμπεται στην πραγματικότητα μία άλλη ακολουθία πολλών bit (η οποία εξαρτάται από τον κώδικα διασποράς). Ο μόνος τρόπος για να γίνει αυτό διατηρώντας τον ίδιο πραγματικό ρυθμό μετάδοσης είναι η διεύρυνση του χρησιμοποιούμενου φάσματος και η ταυτόχρονη ολική χρήση του. Το πλεονέκτημα είναι και εδώ η αυξημένη ασφάλεια, αφού ο κώδικας διασποράς κρυπτογραφεί κατά κάποιον τρόπο τα εκπεμπόμενα δεδομένα. • Πολύπλεξη ορθογώνιας συχνότητας (Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM): Πρόκειται για μια τεχνική μετάδοσης πολλαπλών φερόντων, ιδιαίτερα κατάλληλη για μετάδοση υψηλού ρυθμού δεδομένων σε περιβάλλοντα με διασπορά καθυστέρησης. σελ. 36 από 46 Βασική της αρχή αποτελεί η ορθογωνιότητα των σημάτων, η οποία εξασφαλίζει την απαλλαγμένη από παρεμβολές μετάδοση και ανίχνευσή τους με την ταυτόχρονη απόδοση του φάσματος 5.5 Είδη ασύρματων τοπικών δικτύων Τα ασύρματα δίκτυα προσφέρουν μεγάλη ποικιλία στην δικτύωση. Αν πρόκειται για προσωπικά δίκτυα παρέχουν εύκολη διασύνδεση ετερογενών, φορητών ψηφιακών συσκευών τοποθετημένων σε μικρή απόσταση μεταξύ τους. Bεν σχεδιάζονται για ενσωμάτωση σε μεγαλύτερα δίκτυα καθώς στοχεύουν σε καταναλωτικές φορητές συσκευές περιορισμένων πόρων (κινητά τηλέφωνα, συσκευές αναπαραγωγής πολυμέσων κλπ). Αντιθέτως, τα ασύρματα τοπικά δίκτυα (WLAN) συνήθως αποτελούν δίκτυα υπολογιστών με δυνατότητα ενσωμάτωσης σε ευρύτερα δίκτυα, ενσύρματα ή ασύρματα. Συγκριτικά με τα ενσύρματα τοπικά δίκτυα παρέχουν ευελιξία, κινητικότητα και χαμηλότερο κόστος. 5.5.1 Bluetooth Στην μικρότερη τάξη μεγέθους εμβέλειας ασύρματων δικτύων συναντώνται τα WPAN με σκοπό την ομότιμη δικτύωση ετερογενών φορητών συσκευών. Το σπουδαιότερο πρότυπο στον χώρο αυτόν είναι η οικογένεια πρωτοκόλλων Bluetooth που σχεδιάστηκε από ομάδα εταιρειών και υιοθετήθηκε στη συνέχεια από την IEEE ως το πρότυπο 802.15 για ασύρματα προσωπικά δίκτυα. Οι βασικότερες προδιαγραφές αφορούν το φυσικό επίπεδο και το υποεπίπεδο δικτύου OSI, όπου έχουν δημιουργηθεί διαφορετικά πρωτόκολλα για διαφορετικές εφαρμογές. Τα πρωτόκολλα αυτά στην ορολογία του Bluetooth ονομάζονται προφίλ π.χ. προφίλ ασύρματου τηλεφώνου, προφίλ πρόσβασης σε τοπικό δίκτυο κλπ. Κάθε προφίλ προσφέρει λύσεις για τη διασύνδεση με διαφορετικά δίκτυα μεγαλύτερης κλίμακας. Από φυσική άποψη το Bluetooth λειτουργεί στην ελεύθερη ζώνη ISM (industrial scientific band) που ξεκινάει από τα 2,4 GHz. Κάνει χρήση της μεθόδου διασποράς φάσματος FHSS με την τακτική εναλλαγή της συχνότητας να καθορίζεται ψευδοτυχαία από έναν κεντρικό κόμβο και προδιαγράφει τρία επίπεδα ισχύος της εκπομπής από τα οποία εξαρτάται και η εμβέλεια επικοινωνίας ή οποία σε κάθε περίπτωση είναι πάντα μικρότερη των 10 μέτρων. Ένα πρόβλημα των προδιαγραφών του Bluetooth είναι ότι, λόγω της μετάδοσης στην ελεύθερη ζώνη συχνοτήτων των 2,4 GHz, οι συσκευές που το υποστηρίζουν αδυνατούν να χρησιμοποιήσουν ταυτόχρονα τα περισσότερα πρωτόκολλα της οικογένειας IEEE 802.11, καθώς τότε θα εμφανίζονταν σοβαρά προβλήματα παρεμβολών. σελ. 37 από 46 5.5.2 Xίκτυα υπέρυθρης ακτινοβολίας Οι υπέρυθρες ακτίνες παρουσιάζουν τα παρακάτω χαρακτηριστικά: • Bεν διαπερνούν φυσικά εμπόδια, όπως π.χ. τοίχους • Έχουν μεγάλη συχνότητα, άρα μεγάλο εύρος ζώνης και υψηλό ρυθμό μετάδοσης δεδομένων • Μέσα σε ένα δωμάτιο υπάρχει κάλυψη παντού λόγω ανάκλασης στην οροφή του • Λόγω υψηλής κατευθυντικότητας είναι απαραίτητη η οπτική επαφή με ένα σημείο πρόσβασης • Η υποστήριξη κινητικότητας είναι μικρή • Η εκπομπή είναι ελεύθερη, χωρίς ανάγκη άδειας • Χρησιμοποιούν φθηνό εξοπλισμό, χωρίς κεραία, και έχουν υψηλή ασφάλεια λόγω περιορισμένης εμβέλειας Οι υπέρυθρες ακτίνες αξιοποιούνται στις τηλεπικοινωνίες σε κατευθυντικά δίκτυα τα οποία αποτελούν είναι μεγάλου μήκους ζεύξεις από-σημείο-σε-σημείο. Επίσης, αξιοποιούνται σε μη κατευθυντικά τοπικά δίκτυα όπου χρησιμοποιούνται για την εγκατάσταση αμφίδρομου επαναλήπτη με τον οποίο επικοινωνούν όλοι οι κόμβοι. Τέλος, χρησιμοποιούνται και σε δίκτυα διάχυσης εφόσον οι κόμβοι λαμβάνουν σήμα όχι από απευθείας επικοινωνία αλλά από ανακλάσεις. 5.5.3 Η οικογένεια πρωτοκόλλων IEEE 802.11 Η οικογένεια πρωτοκόλλων IEEE 802.11 αποτελεί το καθιερωμένο πρότυπο της βιομηχανίας στο χώρο των ασύρματων τοπικών δικτύων. Όλα τα πρωτόκολλα 802.11x έχουν κοινό υποεπίπεδο ζεύξης δεδομένων και διαφέρουν στο φυσικό μέσο. Το υποεπίπεδο LLC, που αναλαμβάνει τον έλεγχο ροής, τον έλεγχο σφαλμάτων και τη διασύνδεση προς το επίπεδο δικτύου, ταυτίζεται με το καθιερωμένο κοινό πρωτόκολλο 802.11 που χρησιμοποιείται στο Ethernet και στα περισσότερα ενσύρματα τοπικά δίκτυα, με αποτέλεσμα την άμεση και χωρίς ανάγκη μετατροπών συνδεσιμότητα ενός 802.11 WLAN με το Internet ή άλλα WAN/διαδίκτυα που χρησιμοποιούν το IP ως πρωτόκολλο δικτύου. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν: • Για ασύρματη επέκταση ενός προϋπάρχοντος ενσύρματου δικτύου, όπου ένας κύριος κόμβος συνδέεται μέσω Ethernet με το προϋπάρχον τοπικό δίκτυο και επικοινωνεί ασύρματα με άλλους σταθμούς. • Για διασύνδεση τοπικών δικτύων με συνδέσεις από σημείο σε σημείο μεταξύ γεφυρών ή δρομολογητών• Για παροδική ασύρματη ζεύξη μεταξύ τοπικού δικτύου και κινητών τερματικών (νομαδική πρόσβαση). • Για τη δημιουργία ομότιμων δικτύων, αυθαίρετα μεταβαλλόμενης τοπολογίας, τα οποία δεν απαιτούν καμία προϋπάρχουσα υποδομή και δημιουργούνται δυναμικά, με κόμβους να προστίθενται αυτομάτως στο δίκτυο όταν βρίσκονται εντός της εμβέλειάς του.
Τα πρωτόκολλα που ανήκουν στην οικογένεια 802.11 είναι τα εξής: • 802.11: αναπτύχθηκε το 1997. Αρχικά προέβλεπε μετάδοση με 1-2Mbps, με τεχνική εξάπλωσης φάσματος FHSS ή DSSS και χρήση κωδικών Barker ή υπέρυθρη μετάδοση. Γνώρισε περιορισμένη επιτυχία λόγω των πολύ χαμηλών ρυθμών μετάδοσης • 802.11b: Αναπτύχτηκε το 1999 ως επέκταση στο αρχικό πρότυπο ενώ υποστηρίζει επιπλέον μετάδοση σε 5.5 και 11Mbps με κωδικοποίηση CCK, Complementary Code Keying. Μια δεύτερη μέθοδος κωδικοποίησης PBCC Packet Binary Convolutional Code εισήχθη προαιρετικά υποστηρίζοντας μετάδοση 5.5 και 11Mbps και έχοντας 3dB κέρδος κωδικοποίησης • 802.11b+: Ιδιοταγής προσθήκη από την Texas Instruments ρυθμού μετάδοσης 22Mbps με διαμόρφωση PBCC • 802.11a: Επέκταση στο αρχικό πρότυπο που προβλέπει μετάδοση στη ζώνη 5.2GHz UNII με ρυθμούς 1, 2, 5.5, 11, 6, 12, 24Mbps και προαιρετικά 36, 48, 54Mbps χρησιμοποιώντας OFDM διαμόρφωση • 802.11g: Όταν ολοκληρώθηκε το 802.11b οι κανονισμοί δεν επέτρεπαν τη χρήση τεχνικής παρόμοιας διαμόρφωσης (μη spread spectrum) στην ζώνη των 2.4GHz πράγμα που άλλαξε τον Μάιο του 2001 με την άρση του περιορισμού αυτού από την FCC και τον Ιούλιο του 2000 ιδρύθηκε η ομάδα εργασίας Task Group G με σκοπό τον ορισμό πρότυπου υψηλότερου ρυθμού στους 2.4GHz. Αναπτύχτηκε ένα πρότυπο που είχε σκοπό να συγκεντρώσει τα καλυτέρα χαρακτηριστικά από τα δυο προηγούμενα a και b. Τον Νοέμβριο του 2001 μπροστά στην πιθανότητα να μην υπάρξει τελικά κανένα πρότυπο, το 76% των μελών πρότεινε το 802.11g πρότυπο το οποίο ήταν μια συμβιβαστική πρόταση ανάμεσα στις προτάσεις της TI (22Mbps - PBCC) και Intersil (CCK-OFDM). Ησυμβιβαστική πρόταση περιείχε υποχρεωτική υλοποίηση OFDM διαμόρφωσης και των 802.11b ρυθμών και προαιρετική υλοποίηση διαμόρφωσης CCK-OFDM και PBCC-22. Το πρότυπο δημοσιεύτηκε από την ΙΕΕΕ τον Ιούνιο του 2003 Επειδή όπως αναφέρθηκε υπάρχουν υλοποιήσεις από εταιρείες του χώρου οι οποίες είναι ιδιοταγείς (proprietary), αλλά δεν έχουν ενσωματωθεί στην προτυποποίηση του πρωτόκολλου υπάρχει η ανάγκη για μια πιστοποίηση διαλειτουργικότητας ανάμεσα στις ασύρματες συσκευές που βγαίνουν στο εμπόριο. Ένας τέτοιος οργανισμός είναι η WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance) υποβάλλει ένα πλήθος δοκιμασιών στα προϊόντα προκειμένου να πάρει το λογότυπο WiFi (Wireless Fidelity). Κάθε συσκευή με αυτό το λογότυπο έχει την εγγύηση ότι θα συνεργαστεί με οποιαδήποτε άλλη έχει την ίδια πιστοποίηση και ας προέρχεται και από διαφορετικό κατασκευαστή/πωλητή Οι πιο δημοφιλείς παραγωγοί προϊόντων με WiFi πιστοποίηση είναι οι Τexas Instruments, Atheros, Broadcom, Intersil, Melco και Proxim.
5.5.4 Κινητό IP Τα ασύρματα τοπικά δίκτυα σχεδιάστηκαν με γνώμονα να αποτελέσουν τμήματα του διαδικτύου και γι' αυτό δεν προδιαγράφεται στα περισσότερα πρότυπα της κατηγορίας
επίπεδο δικτύου. Μπορούν να ενοποιηθούν με το Internet μέσω της στοίβας πρωτοκόλλων TCP/IP, κάτι εφικτό από τη στιγμή που το υποεπίπεδο ελέγχου λογικών συνδέσεων τους είναι το τυπικό 802.11 και παρέχει μία κοινή διασύνδεση στο ανώτερο επίπεδο. Όμως τόσο το βασικό πρωτόκολλο δικτύου του Internet, το IP, όσο και το βασικό πρωτόκολλο μεταφοράς, το TCP, δεν έχουν βέλτιστη απόδοση σε WLAN με κινητούς κόμβους γιατί σχεδιάστηκαν πριν από πολλές δεκαετίες με δεδομένο ότι οι κόμβοι είναι σταθεροί, οι συνδέσεις αμετάβλητες και ο ρυθμός σφαλμάτων μετάδοσης ή απώλειας πακέτων χαμηλός. Λόγω της διαρκούς μεταβολής της τοπολογίας των ασύρματων τοπικών δικτύων (κόμβοι εισέρχονται, εξέρχονται, μετακινούνται) και του υψηλού θορύβου που καθιστά τα ασύρματα κανάλια αναξιόπιστα, το TCP, το οποίο είναι προσανατολισμένο σε συνδέσεις και αξιόπιστο, υποφέρει στα WLAN από καθυστερήσεις στην επικοινωνία λόγω καταστροφής των συνδέσεων και αποτυχημένων μεταδόσεων. Παρενέργεια αποτελεί η μικρή αξιοποίηση του φυσικού μέσου γιατί ο έλεγχος ροής του TCP μειώνει εσφαλμένα το παράθυρο του αποστολέα, νομίζοντας ότι ο παραλήπτης δεν μπορεί να ανταπεξέλθει ενώ στην πραγματικότητα τα πακέτα απλά χάθηκαν λόγω υψηλού θορύβου. Το UDP παραμένει μάλλον ανεπηρέαστο αλλά ούτως ή άλλως είναι αναξιόπιστο και μη προσανατολισμένο σε συνδέσεις πρωτόκολλο. Το IP, το οποίο είναι αναξιόπιστο και στηρίζεται στα ανώτερα επίπεδα για να διασφαλιστεί η ορθή παράδοση των δεδομένων, παρουσιάζει αστοχίες στη δρομολόγηση και πάσχει από το πρόβλημα της κινητικότητας. Λύση στα παραπάνω προβλήματα προσφέρουν δίκτυα που βασίζονται στο πρωτόκολλο Mobile IP.
5.5.5 Ομότιμα δίκτυα με επίπεδο δικτύου Στον ομότιμο ή αλλιώς αδόμητο ρυθμό λειτουργίας του IEEE 802.11, χωρίς σημείο πρόσβασης, δύο κόμβοι οι οποίοι επιθυμούν να επικοινωνήσουν πρέπει οπωσδήποτε να είναι ο ένας στην εμβέλεια του άλλου. Το ίδιο συμβαίνει και στο Bluetooth, αλλά καθώς έτσι κι αλλιώς στα WPAN η κινητικότητα των σταθμών συνήθως είναι πολύ μικρή δεν προκαλείται πρόβλημα από αυτόν τον περιορισμό. |στόσο ο τελευταίος δεν είναι χαρακτηριστικό όλων των ασύρματων αδόμητων δικτύων οφείλεται στο ότι οι προδιαγραφές των τοπικών ασύρματων δικτύων αφορούν μόνο στα κατώτερα δύο επίπεδα της στοίβας OSI (φυσικό και ζεύξης δεδομένων). Προκειμένου να ξεπεραστεί ο εν λόγω περιορισμός, σε εφαρμογές όπου προκαλεί σημαντικά προβλήματα, εμφανίστηκαν τα MANET (κινητά ομότιμα δίκτυα). Πρόκειται για ασύρματα ομότιμα τοπικά δίκτυα με ενσωματωμένο επίπεδο δικτύου, όπου κάθε κόμβος λειτουργεί και ως δρομολογητής. Στόχος τους είναι να παρέχουν τη δυνατότητα άμεσης λογικής ζεύξης, χωρίς προϋπάρχουσα υποδομή, από όλους τους κόμβους προς όλους τους κόμβους ακόμα και αν ο παραλήπτης είναι εκτός της εμβέλειας του αποστολέα αρκεί κάθε κόμβος να έχει επαφή με τουλάχιστον άλλον έναν σταθμό του δικτύου. Στην πράξη τα δίκτυα MANET μπορούν να υλοποιηθούν με πρωτόκολλα 802.11 και με χρήση της τυπικής στοίβας TCP/IP, αλλά επειδή το IP δεν είναι πρωτόκολλο κατάλληλο για δυναμικά ομότιμα δίκτυα χρησιμοποιούνται οι διευθύνσεις MAC ως σταθερές διευθύνσεις επιπέδου δικτύου. Έτσι δημιουργείται η ψευδαίσθηση μίας μη ιεραρχικής παραλλαγής δικτύου IP, όπου όλοι οι κόμβοι είναι ισότιμοι και έχουν αμετάβλητες διευθύνσεις ασχέτως της θέσης τους. Επειδή ωστόσο μέχρι στιγμής δεν έχουν επιλυθεί ακόμα σοβαρά προβλήματα και δεν έχουν συμφωνηθεί κοινώς αποδεκτά πρότυπα, τα MANET προς το παρόν αποτελούν περισσότερο ζήτημα ακαδημαϊκής έρευνας παρά πραγματικό εμπορικό προϊόν.
5.5.6 Xίκτυα αισθητήρων Σε αντίθεση με τα MANET αυτή τη στιγμή υπάρχουν εμπορικές υλοποιήσεις δικτύων αισθητήρων (WSN Wireless Sensor Networks), αν και φυσικά επίσης αποτελούν εστία μεγάλης ερευνητικής δραστηριότητας. Οι εμπορικές υλοποιήσεις αφορούν κάρτες δικτύου με ενσωματωμένους πομποδέκτες, χωρίς όμως να υπάρχουν ακόμη καθολικώς αποδεκτά πρότυπα. Τα WSN διαφέρουν από τα MANET στο ότι οι κόμβοι δεν είναι πλήρεις ή φορητοί υπολογιστές αλλά στοιχειώδεις υπολογιστικές συσκευές περιορισμένων πόρων οι οποίες παρέχουν περιβαλλοντικές μετρήσεις από ενσωματωμένους αισθητήρες. Μοιάζουν με τα MANET στο ότι πρόκειται για ασύρματα ομότιμα δίκτυα με επιπρόσθετο επίπεδο δικτύου, όπου οι σταθμοί μετακινούνται και η τοπολογία των κόμβων και των μεταξύ τους συνδέσεων εμφανίζεται δυναμική και απρόβλεπτη. 5.6 Κεραίες των ασύρματων δικτύων Όλες οι ασύρματες συσκευές μπορούν να αποκτήσουν μεγαλύτερη εμβέλεια με χρήση της κατάλληλης κεραίας. Ανάλογα με το πρωτόκολλο λειτουργίας καθορίζεται και η συχνότητα λειτουργίας της συσκευής και επομένως και της κεραίας. Έτσι οι κεραίες για τα ασύρματα τοπικά δίκτυα μπορούν να εκπέμπουν στην ζώνη των 2.4Ghz είτε στα 5Ghz. Σε γενικές γραμμές οι κεραίες 2.4Ghz είναι μεγαλύτερες σε μέγεθος και με μικρότερο κέρδος από αυτές των 5Ghz. Οι κεραίες χωρίζονται σε κατηγορίες με βάση τα χαρακτηριστικά του σήματος το οποίο μεταδίδουν: • Πολυκατευθυντικές (omnidirectional), οι οποίες κατανέμουν το εκπεμπόμενο σήμα προς όλες τις κατευθύνσεις • Κεραίες τομέα, οι οποίες τυπικά καλύπτουν ένα τμήμα από μια κυψέλη • Κατευθυντικές οι οποίες συγκεντρώνουν το σήμα σε μια στενή δέσμη. Μπορούν να είναι τύπου Panel, Grid, Dishes, Echo, Yagi
Συμπεράσματα
Το συμπέρασμα από την παρούσα υποενότητα είναι ότι: • η ανάγκη για επικοινωνία είναι ιστορική και για τον λόγο αυτό η εξέλιξη των υποδομών επικοινωνίας είναι ατέρμονη • τα ασύρματα δίκτυα αποτελούν εξέλιξη των ενσύρματων υποδομών, λειτουργούν στις ίδιες βασικές αρχές ενώ στην πλειονότητά τους είναι συμβατά με τα ενσύρματα • η βασική δικτυακή τοπολογία για την σύνδεση σε τοπικό δίκτυο που συνδέεται με το διαδίκτυο ακολουθεί το μοτίβο του σταθμού – πύλης – διαδικτύου και η ρύθμιση των παραμέτρων στον σταθμό εργασίας μπορεί να είναι αυτόματη • οι ιδιαιτερότητες των ασύρματων δικτύων προκύπτουν από τις ιδιαιτερότητες του ασύρματου μέσου • υπάρχουν πολλές κατηγορίες ασύρματων δικτύων, ακολουθώντας και την κατηγοριοποίηση των ενσύρματων δικτύων • οι ασύρματες τεχνολογίες παρουσιάζουν πλεονεκτήματα ως προς την οικονομία και την οικολογία και για τον λόγο αυτόν είναι αναγκαίεςΠροτεινόμενη Βιβλιογραφία
Tanenbaum, Andrew S. [1996] 2000, "Bίκτυα Υπολογιστών", Τρίτη Έκδοση, Πρώτη
Ελληνική Έκδοση, Εκδόσεις Παπασωτηρίου, ISBN 960-7510-70-4
σελ. 44 από 46
[2] Σιδερίδη, Αλέξανδρου Β. 1998, "Εισαγωγή στην επιστήμη των υπολογιστών", ISBN 960-
85647-1-4
[3] «Bίκτυα και Bιαδίκτυα Υπολογιστών και εφαρμογές τους στο Internet», Douglas E.
Comer, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, ISBN: 978-960-461-040-2
[4] «Bίκτυα επικοινωνιών», Walrand, Jean, Εκδόσεις Παπασωτηρίου, ISBN:
9789607510457, 1997
[5] «Επικοινωνίες υπολογιστών και δεδομένων», Stallings, William, Εκδόσεις Τζιόλα, ISBN:
9789608050549, 2002
[6] «Εισαγωγή στα Bίκτυα Υπολογιστών», Woodcock, Εκδόσεις Κλειδάριθμος, ISBN: 960-
332-183-4
[7] «Τηλεπληροφορική» Επιστημονική Επιμέλεια Κ.Α. Παπανδρέου Ελληνική Εταιρεία,
Επιστήμης Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Πληροφορικής, Αθήνα 1989
[8] «Computers Networks: A Systems Approach», Peterson, Larry L and Davie, Bruce S.,
Morgan Kaufmann, 1996
[9] «Σύγχρονα Τηλεπικοινωνιακά Bίκτυα, Τόμος Β» Β. Σκουλάτος. ΟΤΕ Α.Ε., B/νση
Συντήρησης, Αθήνα 2000
[10] «Bίκτυα Υπολογιστών «(3η έκδοση) A.S. Taneubaum, Παπασωτηρίου, 2000
[11] «Προηγμένες Τηλεπικοινωνιακές Υποδομές και Υπηρεσίες, Τόμος B», Β. Σκουλάτος, ΟΤΕ
Α.Ε. Γ΄B/νση Τεχνικών Θεμάτων, Αθήνα 2001
[12] «Bίκτυα Ηλεκτρονικών Υπολογιστών και Υπηρεσίες Bιαδικτύου στην Ιατρική»,
Σημειώσεις Εργαστηρίου Ιατρικής Πληροφορικής, Α.Π.Θ. 2003
Προτεινόμενες Ιστοσελίδες
[1] http://el.wikipedia.org/wiki/Κατηγορία: Bίκτυα_υπολογιστών, Bιαδικτυακή σελίδα στην
ελεύθερη διαδικτυακή εγκυκλοπαίδεια Βικιπαίδια
[2] http://en.wikipedia.org/wiki/Computer_network , Bιαδικτυακή σελίδα στην ελεύθερη
[3] Blanchard, Eugene, 2007, "Introduction to Data Communications”, revision 2.1,
http://www.cadvision.com/blanchas/Intro2dcRev2
[4] Building a Simple Network, 2nd Edition, How to Set Up a Small Network of Personal
Computers by Ken Denniston, "Introduction to Networking”, http://
www.intel.com/intelpress/BSN_ch01.pdf
[5] Ασύρματο μητροπολιτικό δίκτυο Αθηνών, http://www.awmn.gr
[6] http://www.wi-fiplanet.com
[7] Μετάδοση δεδομένων και δίκτυα υπολογιστών, Μανώλης Κιαγιάς,
http://diktia.dynds.org/ files/thebook/thebook.html
Γλωσσάριο – Ακρωνύμια
AD-HOC συγκεκριμένου σκοπού
AM Amplitude Modulation
ARPA Advanced Research Projects Administration
ASCII American Standard Code for Information Interchange
ASK Amplitude Shift Keying
bps bits per second
Bps bytes per second
CPU Central Processing Unit
CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection
DARPA Defence Advanced Research Projects Administration
DHCP Dynamic Host Configuration Protocol
DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
FHSS Frequency Hoping Spread Spectrum
FM Frequency Modulation
FSK Frequency Shift Keying
Hz Hertz
IBM International Business Machines
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers
IP Internet Protocol
LAN Local Area Network
MAC Media Access Control / Multi Access Computer
MAN Metropolitan Area Network
MANET Mobile Internet AD-HOC Network
NCSA National Centre for Supercomputing Applications
NSF National Science Foundation
NIC Network Interface Card
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing
OSI Open Systems Interconnection
P2P peer to peer
PCI Peripheral Component Interconnect
PSK Phase Shift Keying
SNA System Network Architecture
RS232 Recommended Standard 232
TCP Transmission Control Protocol
UDP User Datagram Protocol
σελ. 46 από 46
USB Universal Serial Bus
WAN Wide Area Network
WECA Wireless Ethernet Compatibility Alliance
WiFi Wireless Fidelity
WPAN Wireless Personal Area Network
WSN Wireless Sensor Network
WWW Word Wide Web
ΗΠΑ Ηνωμένες Πολιτείες Αμερικής