Computer Networks

Diomidis Spinellis
Department of Management Science and Technology
Athens University of Economics and Business
Athens, Greece
dds@aueb.gr

Εισαγωγή, το μοντέλο αναφοράς OSI

Εφαρμογή (application)
Παρουσίαση (presentation)
Σύνοδος (session)
Μεταφορά (transport)
Δίκτυο (network)
Σύνδεση δεδομένων (data link)
Φυσικό επίπεδο (physical)

Φυσικό επίπεδο

Θεωρία πληροφορίας
Μέσα μεταφοράς
- Μαγνητικά
- Συνεστραμένο καλώδιο
- Ομοαξονικό καλώδιο
- Οπτική ίνα
- Ασύρματη μεταφορά οπτικής επαφής
- Δορυφορική επικοινωνία
Αναλογική μετάδοση
- Το τηλεφωνικό δίκτυο
- MODEM
- RS-232
Ψηφιακή μετάδοση
Πολυπλεξία (multiplexing)
Πακέτα και συνδέσεις
Ψηφιακά δίκτυα
- ISDN
- GSM / UMTS
- ATM
- SONET

Επίπεδο σύνδεσης

Τοπικά δίκτυα (local area networks)
- Έλεγχος συγκρούσεων και πολλαπλή πρόσβαση (multiple access collision detection)
- Πρωτόκολλα χωρίς σύγκρουση
- Ethernet
Υπηρεσίες
- Έλεγχος λαθών (error control)
- Έλεγχος ροής (flow control)

Επίπεδο δικτύου

Δρομολόγηση (routing)
Έλεγχος συμφόρησης (congestion control)
Διαδικτύωση - πύλες (gateways)

Επίπεδο μεταφοράς

Διαφορά από το επίπεδο δικτύου
Ποιότητα υπηρεσίας (quality of service)
Διευθυνσιοδότηση (addressing)
Δημιουργία σύνδεσης
Ελευθέρωση σύνδεσης

Επίπεδο συνόδου

Κλήση απομακρυσμένων συναρτήσεων (remote procedure call)
Συγχρονισμός

Επίπεδο παρουσίασης

Εμφάνιση δεδομένων
- Κείμενο
- Γραφικά
- Δομή
Συμπίεση
Ασφάλεια

Επίπεδο εφαρμογής

Παγκόσμιος ιστός (World wide web)
Μεταφορά αρχείων (file transfer)
Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο (electronic mail)
Απομακρυσμένη πρόσβαση (remote access)
Απομακρυσμένη διαχείριση (remote administration)
Ηλεκτρονικοί κατάλογοι (directory service)
Μεταφορά εργασιών (job transfer)

Τα πρωτόκολλα του Internet

Εφαρμογή

Το επίπεδο εφαρμογής στο Internet καλύπτει τα επίπεδα εφαρμογής και παρουσίασης του OSI. Τα πιο συχνά πρωτόκολλα που χρησιμοποιούνται από τους χρήστες είναι:

Telnet: χρήση από απόσταση
FTP: μεταφορά αρχείων
SMTP: μεταφορά email
POP/IMAP: ανάγνωση email
HTTP/HTML: πρόσβαση στο Web

Μια σειρά από πρωτόκολλα στο επίπεδο αυτό υποστηρίζουν τη λειτουργία και τη διαχείριση του δικτύου:

DNS: Κατανεμημένος κατάλογος ονομάτων
SNMP: Διαχείριση από απόσταση
BOOTP: Αρχικό φόρτωμα κώδικα
RARP: Αντίστροφη μετατροπή διευθύνσεων

Μεταφορά

Στο επίπεδο της μεταφοράς χρησιμοποιούνται δύο πρωτόκολλα:

TCP: Transmission Control Protocol
UDP: User Datagram Protoco

Δίκτυο

Στο επίπεδο του δικτύου το Internet Protocol (IP) μαζί με το Internet Control Message Protocol εξασφαλίζουν τη μεταφορά δεδομένων από τον αποστολέα στον παραλήπτη. Το παρακάτω σχήμα παριστάνει τη σχέση ανάμεσα στα διάφορα πρωτόκολλα του internet:

                                    
	 +------+ +-----+ +-----+     +-----+  
	 |Telnet| | FTP | | TFTP| ... | ... |  
	 +------+ +-----+ +-----+     +-----+  
	       |   |         |           |     
	      +-----+     +-----+     +-----+  
	      | TCP |     | UDP | ... | ... |  
	      +-----+     +-----+     +-----+  
		 |           |           |     
	      +--------------------------+----+
	      |    Internet Protocol & ICMP   |
	      +--------------------------+----+
			     |                 
		+---------------------------+  
		|   Local Network Protocol  |  
		+---------------------------+

Σημείωση: Τα σχήματα της ενότητας αυτής προέρχονται από τα έντυπα RFC που αναφέρονται στη βιβλιογραφία.

IP

Πακέτα στο επίπεδο του δικτύου internet έχουν την παρακάτω μορφή:

    0                   1                   2                   3   
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |Version|  IHL  |Type of Service|          Total Length         |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |         Identification        |Flags|      Fragment Offset    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Time to Live |    Protocol   |         Header Checksum       |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                       Source Address                          |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Destination Address                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Οι διευθύνσεις αποστολέα και παραλήπτη περιγράφονται με 32 bit που παριστάνονται για ευκολία με 4 δεκαδικούς αριθμούς (π.χ. 192.168.135.4). Ένας αρχικός αριθμός από bit (π.χ. 24) παριστάνει το δίκτυο στο οποίο ανήκει ένας συγκεκρικένος υπολογιστής, ενώ τα υπόλοιπα ξεχωρίζουν τον υπολογιστή από τους υπόλοιπους στο ίδιο δίκτυο.

TCP

Το πρωτόκολλο TCP (Transmission Control Protocol) επιτρέπει τη σύνδεση δύο διεργασιών και τη μεταξύ τους επικοινωνία. Το TCP θεωρεί ότι το δίκτυο στο οποίο βασίζεται παρέχει τη δυνατότητα μεταφοράς πακέτων χωρίς εγγυήσεις σχετικά με τη σειρά που θα παραδοθούν, την απώλεια πακέτων ή τη διπλή παράδοσή τους. Πάνω από ένα τέτοιο δίκτυο το TCP παρέχει αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων. Οι βασικές υπηρεσίες που παρέχει το TCP είναι οι παρακάτω:

Μεταφορά δεδομένων
Αξιοπιστία
Έλεγχο ροής
Πολυπλεξία
Συνδέσεις
Προτεραιότητα

Η μορφή της επικεφαλίδας του TCP είναι η παρακάτω:

    0                   1                   2                   3   
    0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |          Source Port          |       Destination Port        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                        Sequence Number                        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Acknowledgment Number                      |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |  Data |           |U|A|P|R|S|F|                               |
   | Offset| Reserved  |R|C|S|S|Y|I|            Window             |
   |       |           |G|K|H|T|N|N|                               |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |           Checksum            |         Urgent Pointer        |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                    Options                    |    Padding    |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
   |                             data                              |
   +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+

Τα bit URG...FIN έχουν τους παρακάτω ρόλους:

URG: Το πεδίο Urgent Pointer περιέχει δεδομένα
ACK: Το πεδίο Acknowledgment περιέχει δεδομένα
PSH: Λειτουργία Push
RST: Επαναρύθμιση της σύνδεσης
SYN: Συγχρονισμός των αριθμών της σειράς
FIN: Δεν υπάρχουν άλλα δεδομένα από τον αποστολέα

Αρχιτεκτονική του παγκόσμιου ιστού

Ο παγκόσμιος ιστός (world wide web) είναι υλοποιημένες σύμφωνα με το μοντέλο πελάτη-υπηρέτη (client-server).
Υπηρέτες ακούν για εντολές του πρωτοκόλλου HTTP στη θύρα TCP 80 και απαντούν ανάλογα με το περιεχόμενο της εντολής.
Οι απαντήσεις είναι συνήθως υπερκείμενο (hypertext) δομημένο σύμφωνα με το πρότυπο HTML.
Παραπομπές σε άλλες σελίδες ή περιεχόμενο γίνονται με την τυποποιημένη χρήση των Uniform Resource Locators (URL).
Τόσο ο πελάτης, όσο και ο υπηρέτης μπορούν να προσαρμόσουν δυναμικά το περιεχόμενο μιας σελίδας.

Προσδιορισμός στοιχείων με URI

Ο προσδιορισμός στοιχείων στο Web γίνεται με τη χρήση των Uniform Resource Locators. Διακρίνονται σε απόλυτα (π.χ. http://www.amazon.com) και σχετικά (π.χ. info.gif). Αποτελούνται από

το πρωτόκολλο,
τον προσδιορισμό του μηχανήματος που περιέχει το περιεχόμενο,
τον προσδιορισμό της διαδρομής και
το αρχείο.

Η χρήση τους επιτρέπει τον προσδιορισμό άλλων σελίδων τοπικά, σε άλλα μηχανήματα, καθώς και ερωτήσεων:

    http://www.spinellis.gr/
index.html
http://sourceforge.net/softwaremap/trove_list.php?form_cat=187&discrim=165

Το πρωτόκολλο HTTP

Το πρωτόκολλο HTTP υποστηρίζει τις παρακάτω μεθόδους επικοινωνίας:

GET
HEAD
POST
PUT
DELETE
TRACE

Παράδειγμα:

GET /pub/WWW/TheProject.html HTTP/1.1
Host: www.w3.org

Ενεργό περιεχόμενο

Υπάρχουν διάφορες τεχνολογίες για να εμφανίσουμε ενεργό περιεχόμενο (active content) στο Web όπως:

CGI
Active Server Pages (Microsoft)
Java Server Pages (Java)
Servlets (Java)
PHP (Apache/Unix)

Προγράμματα που χρησιμοποιούν τις τεχνολογίες αυτές δημιουργούν δυναμικά τις σελίδες HTML ανάλογα με τα στοιχεία του χρήστη.

Αναζήτηση πληροφοριών στον παγκόσμιο ιστό

Οι σελίδες στον παγκόσμιο ιστό μετριούνται σε εκατομμύρια. Για την αποδοτική χρήση τους χρησιμοποιούμε διάφορες προσεγγίσεις.

Κατάλογος (directory) (π.χ. http://www.yahoo.com (http://www.yahoo.com))
Μηχανή αναζήτησης (search engine) (π.χ. http://www.google.com (http://www.google.com))
Πύλη (portal) (π.χ. http://www.in.gr (http://www.in.gr))

Βιβλιογραφία

Α. Λυπιτάκης Ο σύγχρονος κόσμος των υπολογιστών. σ. 145-172 1997.
Ε. Παπαθανασίου Στοιχεία υπολογιστικών συστημάτων. Κεφάλαιο 8. Εκδόσεις Μπένου 1998.
Andrew S. Tanenbaum Δίκτυα Υπολογιστών. Τρίτη Έκδοση. Παπασωτηρίου, 2000.

T. Berners-Lee and D. Connolly. RFC 1866: Hypertext Markup Language — 2.0, November 1995. Available online.
T. Berners-Lee, L. Masinter, and M. McCahill. RFC 1738: Uniform Resource Locators (URL), December 1994. Available online.
R. Braden. RFC 1122: Requirements for Internet hosts — communication layers, October 1989. Available online.
R. Braden. RFC 1123: Requirements for Internet hosts — application and support, October 1989. Available online.
J. Glenn Brookshear. Computer Science, pages 141–166. Addison-Wesley, sixth edition, 2000.
J. Glenn Brookshear. Computer Science, pages 135–170. Addison-Wesley, 8th edition, 2004.
Douglas E. Comer and David L. Stevens. Internetworking with TCP/IP, volume II: Design, Implementation and Internals. Prentice-Hall, 1991.
Douglas E. Comer and David L. Stevens. Internetworking with TCP/IP, volume III: Client-Server Programming and Applications (BSD Socket Version. Prentice-Hall, 1993.
Douglas E. Comer. Internetworking with TCP/IP, volume I: Principles, Protocols and Architecture. Prentice-Hall, second edition, 1991.
D. Eastlake and C. Kaufman. RFC 2065: Domain Name System security extensions, January 1997. Available online.
R. Fielding, J. Gettys, J. Mogul, H. Frystyk, T. Berners-Lee, et al. RFC 2068: Hypertext transfer protocol — HTTP/1.1, January 1997. Available online.
B. Fraser. RFC 2196: Site security handbook, September 1997. Available online.
Stefanos Gritzalis and Diomidis Spinellis. Addressing threats and security issues in World Wide Web technology. In Proceedings CMS '97 3rd IFIP TC6/TC11 International joint working Conference on Communications and Multimedia Security, pages 33–46, Athens, Greece, September 1997. IFIP, Chapman & Hall.
Fred Halsall. Data Communications, Computer Networks and OSI. Addison-Wesley, second edition, 1988.
E. Krol. RFC 1118: Hitchhikers guide to the Internet, September 1989. Available online.
J. Postel. RFC 768: User Datagram Protocol, August 1980. Available online.
J. Postel. RFC 774: Internet protocol handbook: Table of contents, October 1980. Available online.
J. Postel. RFC 791: Internet protocol, September 1981. Available online.
J. Postel. RFC 792: Internet control message protocol, September 1981. Available online.
J. Postel. RFC 793: Transmission Control Protocol, September 1981. Available online.
Marshall T. Rose. The Open Book: A Practical Perspective on OSI. Prentice Hall, 1989.
Aviel D. Rubin, Daniel Geer, and Marcus J. Ranum. Web Security Sourcebook. John Wiley & Sons, 1997.
W. Richard Stevens. UNIX Network Programming. Prentice Hall, 1990.
Andrew S. Tanenbaum. Computer Networks. Prentice-Hall, second edition, 1988.

Contents