Hacettepe Üniversitesi, Bilişim Enstitüsü BBS 676 Veri Đletişimi ve Bilgisayar Ağları 2005-2006 Güz Dönemi http://www.ee.hacettepe.edu.tr/~toker/bbs676/bbs676-homepage.html
Bilgisayar Ağlarının Kullanım Alanları Bilgisayar ağlarının teknik tarafını incelemeden önce ağların neden kullanıldığını ve kullanım alanlarını incelemek gerekmektedir. Bu alanları temel olarak; - Đş Uygulamaları, - Ev Uygulamaları, - Gezgin Kullanıcılar olarak ayırmak mümkündür. Đş Uygulamaları: 1. Şirketler çok sayıda bilgisayara sahip olabilirler. Bu bilgisayarlar arasında bir ağ kurmanın birincil amaçları şunlardır: Kaynak paylaşımı Ortak kullanılan program, ekipman (yazıcı, tarayıcı vs.) ve verinin kaynağın ve kullanıcının bulunduğu yerden bağımsız olarak paylaşımı. Bilgi paylaşımı Bir şirketin müşteri kayıtları, muhasebe bilgileri, vergi bilgileri vs. gibi bilginin tüm veya ilgili kullanıcılar arasındaki paylaşımı. Küçük bir şirket için bütün bilgisayarlar tek bir binanın içinde konumlandırılmış olabileceği gibi büyük şirketler için birbirlerine bağlanacak bilgisayarlar farklı binalarda hatta şehir/ülkede olabilir. Bir ağ coğrafik engellerin ötesinde bütün bu bilgisayarları birbirine bağlamalıdır. Bilgisayarların bilgi sistemleri bir veya daha fazla veritabanını içeriyor ve yine birden fazla kullanıcı bu bilgilere ulaşmak istiyor olabilir. Bu durumda sunucu-istemci ilişkisi ortaya çıkar. Veri sunucu olarak hizmet eden güçlü bilgisayarlarda tutulurken, daha basit bilgisayarlara sahip kullanıcılar bu sunucuların istemcileri olarak ilgili veriye ulaşırlar. Sunucu ve istemci bilgisayarları aşağıdaki şekildeki gibi bir ağ vasıtasıyla birbirlerine bağlanırlar. Bu kuruluma sunucu-istemci modeli adı verilir. Çoğu durumda tek bir sunucu pek çok istemciye hizmet verir.
Bir sunucu-istemci modelinde birisi sunucuda ötekisi ise istemcinin bilgisayarında iki temel süreç işlemektedir. Đletişim istemci sürecinin ağ üzerinden sunucu sürecine bir mesaj göndermesiyle başlar. Daha sonra istemci süreci bir cevap mesajı bekler. Sunucu süreci isteği aldığında istenilen ya işi gerçekleştirir yada istenilen bilgiyi bulur ve istemciye cevap olarak geri yollar. Bu işlem şu şekilde gösterilebilir: 2. Bir bilgisayar ağı oluşturmanın ikinci bir amacı ise şirket içinde çalışanlar arasında iletişimi sağlamaktır. Bir bilgisayar ağı çalışanlar arasında güçlü bir iletişim ortamı sağlayabilir. Bunun yollarından birisi e-postadır. Başka bir yöntem ise video-konferans yapmaktır. Ayrıca başka yerlerde bulunan iki şirket çalışanı ortak ağı kullanarak birlikte bir döküman yazabilirler. 3. Bilgisayar ağı kurmanın üçüncü amacı olarak şirketlerin diğer şirketlerle özellikle de malzeme sağlayıcı ve müşteri şirketlerle elektronik ortamda iş yapmaları sayılabilir. 4. Bir başka amaç ise günümüzde yaygınlaşan, şirketlerin tüketiciler ile internet üzerinden ticaret yapmalarıdır, yani e-ticarettir. Ev Uygulamaları Ev kullanıcıları arasında internet kullanımının en popüler alanları şöyle özetlenebilir: - Uzaktaki bilgiye erişim - Kişi-kişiye iletişim - Etkileşimli eğlence - Elektronik ticaret 1. Uzaktaki bilgiye erişim çeşitli şekillerde olabilmektedir. Bilgi erişimi amacıyla WWW de sörf yapmak mümkündür. Benzer şekilde pek çok gazete ve dergi internet üzerinden de yayın yapmaktadır. Ayrıca IEEE ve ACM gibi bazı profesyonel kuruluşlar çıkardıkları tutanakları ve konferans bildirilerini online olarak yayınlamaktadırlar.
2. Ağların başka bir geniş kullanım alanı kişi-kişiye iletişimdir. Daha önce de belirtilen e-posta bu yollardan birisidir. Bunun yanında anlık mesajlaşma ve mesaj odaları da bu kategoride sayılabilir. Geniş kullanım bulan bir alanda haber gruplarıdır. Aşağıdaki şekil kişi-kişiye iletişimin bir örneğini göstermektedir. Kişi-kişiye iletişimin yeni gelişen bir alanı ise eşdüzeyli (peer-to-peer) iletişimdir. Her katılımcı bir sunucu-istemci yapısı dışında dosyaları karşısındaki kullanıcıyla paylaşabilmektedir. Napster ve Kazaa servisi buna en güzel örneklerdendir. Eşdüzeyli iletişim, her kullanıcının kendi veritabanını oluşturmasını sağlayarak merkezi bir veritabanı ihtiyacını ortadan kaldırmaktadır. Çok-oyunculu oyunlar, internet telefonu, video telefon, internet radyosu ve doğası gereği e-posta eşdüzeyli iletişimi kullanmaktadır. 3. Üçüncü kategori etkileşimli eğlencedir. Đstek-üzerine video ve online oyunlar bu sınıfa girerler. 4. Elektronik ticaret dördüncü kategoriyi oluşturur. Online katalog kullanılarak evden alışveriş, internetten fatura ödeme ve banka hesap yönetimi bu kategoride sayılabilir. Ayrıca gün geçtikçe yaygınlaşan e-bay türü sitelerle internet üzerinden ikinci el eşya alım-satımı da bu sınıfa katılabilir. Gezgin Kullanıcılar Dizüstü bilgisayar ve PDA gibi taşınabilir cihazların kullanıcıları, bu cihazlar ile ofis veya evdeki masaüstü bilgisayarları arasında, bu bilgisayarlardan uzak bir mekanda hatta yolculuk sırasında bağlantı kurmak istemektedir. Böyle bir bağlantının telli hatlarla gerçekleştirilememesi telsiz ağlara ilgiyi arttırmıştır. Telsiz ağlar çeşitli alanlarda kullanım bulmaktadır. Bunlar arasında taşınabilir ofisler, kamyon, taksi, ulaştırma araçlarının merkezleriyle irtibatı ve askeri uygulamalar sayılabilir.
Sabit telsiz ağlar ve gezgin telsiz ağlar arasında fark vardır. Örneğin bir binanın ağ ihtiyacının bir telsiz sistemle sağlanmış olması fakat bilgisayarların sabit olması ağı bir sabit telsiz ağ yapar. Öte yandan bir alışveriş merkezinde sağlanan telsiz ağ hizmetinden bir PDA kullanıcısının yararlanması gezgin telsiz ağlara bir örnek oluşturur.
Ağ Donanımı Ağ tasarımının teknik kısmını ilgilendiren başlıca konulardan biri ağ donanımıdır. Ağ donanımının iki önemli boyutu bulunur: - Đletişim teknolojisi, - Kurulum boyutları. Geniş kullanım alanı bulan iki tür iletişim teknolojisi bulunmaktadır: 1. Genele yayın bağları 2. Noktadan-noktaya bağlar Genele yayın ağlarında tek iletişim ortamı ağdaki tüm bilgisayarlar tarafından kullanılır. Bir kullanıcı tarafından ortama gönderilen, belirli bir içeriği olan paket adı verilen kısa mesajlar tüm kullanıcılar tarafından alınır. Paketin adres alanı hedef kullanıcıyı belirler. Paketi alan her kullanıcı paketin adres bilgisini kendi adresiyle karşılaştırır. Eğer uyuşuyorsa bilgisayar paketi işler. Eğer uyuşmuyorsa paketteki bilgiyi dikkate almaz. Bunun tersine noktadan-noktaya ağlarda bireysel bilgisayar çiftleri arasında çok sayıda bağlantı bulunur. Ancak her bilgisayar birbirine doğrudan bağlı olmak zorunda değildir. Bir kullanıcı tarafından gönderilen paket birkaç ara bilgisayardan geçerek hedefe ulaşabilir. Ağ donanımını sınıflandırmak için bir kriter de kurulum boyutlarıdır. Aşağıdaki tablo bu sınıflandırmaya örnekler vermektedir: Bilgisayarlar arası Bilgisayarların Örnek uzaklık bulunduğu ortam 1 m Metrekare Kişisel Alan Ağı 10 m Oda Yerel 100 m Bina Alan 1 km Kampüs Ağı 10 km Şehir Kentsel Alan Ağı 100 km Ülke Geniş Alan 1000 km Kıta Ağı 10,000 km Gezegen Đnternet
Yerel Alan Ağları Yerel alan ağları (Local Area Network, LAN) birkaç kilometreye kadar boyutları olan, bir bina veya kampüste kurulu, bir kuruluşa ait ağlardır. LAN ları diğer ağlardan ayıran özellikler 1. boyutları, 2. iletişim teknolojileri, ve 3. topolojileri dir. 1. LAN ların alanları sınırlıdır. Bu en kötü iletişim gecikmesinin bilinmesini sağlar. Bu durum aksi takdirde mümkün olmayan tasarımların gerçekleştirilmesini sağlar. 2. LAN lar bütün bilgisayarların bağlı olduğu bir kabloyu kullanan bir iletişim teknolojisini kullanabilirler. Geleneksel LAN lar 10Mbps veya 100Mbps hızlarında çalışırlar, düşük gecikme süresine sahiptirler ve çok az iletişim hatası yaparlar. Yeni LAN lar 10 Gbps hızlara çıkabilmektedir. 3. Genele yayın ağları çeşitli topolojilere sahip olabilirler. Aşağıdaki şekil bunları göstermektedir: (a) da görülen veriyolu ağında herhangi bir anda en fazla bir bilgisayarın paket göndermesine izin verilir. Diğer bütün bilgisayarların veri gönderimi o an için yasaklanmıştır. Birden fazla bilgisayarın paket göndermek istemesi durumunda bir çekişme hakemliği mekanizmasının işletilmesi gerekir. Bu mekanizma merkezi olabileceği gibi dağılmış yapıda da olabilir. Örneğin IEEE 802.3, Ethernet, dağılmış kontrollü veriyolu ağına bir örnektir. Đkinci bir genele yayın yöntemi (b) de görülen halkadır. Halkada her bit paketin geri kalanının iletimini beklemeden bütün bilgisayarları dolaşır. Genellikle bütün halkanın dolaşılması birkaç bitin gönderilmesi için gereken zamanı geçmez. Diğer tüm genele yayın türlerinde olduğu gibi burada da bir çekişme hakemliği mekanizmasına ihtiyaç vardır. Her bilgisayarın sırayla
iletişim yapması gibi çeşitli yöntemler bulunmaktadır. Bunlar arasında IEEE 802.5 (IBM andaçlı halka (token ring)) ve FDDI da bulunmaktadır. Genele yayın ağları ayrıca kanalın kullanımına göre durağan ve dinamik olarak da sınıflandırılır. Tipik bir durağan ağda, zaman belirli dilimlere ayırılır ve her dilimde bir bilgisayar paket gönderir. Dolayısıyla her bilgisayar ancak sırası geldiğinde iletişim kurabilir. Dinamik atama da ise merkezi veya dağınık olarak kontrol edilen bilgisayarlar belirli kurallar dahilinde her zaman iletişim yapabilirler. Kentsel Alan Ağı Kentsel Alan Ağı (Metropolitan Area Network, MAN) bir şehri kapsar. En iyi bilinen örneklerinden birisi kablotv hatları üzerinden, kullanılmayan bantları kullanarak iki yönlü iletişimin kurulduğu internet bağlantısıdır. Ayrıca, güncel gelişmeler sonucunda telsiz internet erişimini sağlayacak IEEE 802.16 (WiMax) standardı geliştirilmiştir.
Geniş Alan Ağları Bir geniş alan ağı (Wide Area Network, WAN) genellikle bir ülke veya kıta gibi geniş bir coğrafik alanı kapsar. Kullanıcı programlarını çalıştıran çok sayıda yerel hizmet bilgisayarlarından (host) oluşur. Bu bilgisayarlar bir iletişim altağı (kısaca altağlar) ile birbirlerine bağlanırlar. Altağın görevi, hizmet bilgisayarları arasındaki veri iletişimini sağlamaktır. Çoğu WAN da altağ iki bileşenden oluşur: Đletim hatları ve Anahtarlama elemanları. Đletişim hatları bilgisayarlar arasında bitleri taşır. Bakır tel, fiberoptik kablo veya telsiz bağlantıyla kurulabilirler. Anahtarlama elemanları ise üç veya daha çok iletişim hattını birbirine bağlamak için tasarlanmış özel bilgisayarladır. Bir giriş hattından veri geldiğinde, anahtarlama elemanı bu veriyi yönlendireceği çıkış hattını belirler. Bu anahtarlama bilgisayarları genellikle yönlendirici (router) olarak anılır. Çoğu WAN da ağ, yönlendirici çiftlerini bağlayan çok sayıda iletişim hatlarını içermektedir. Bir yönlendiriciden başka bir yönlendiriciye, bir veya daha fazla ara yönlendirici üzerinden bir paket gönderildiğinde, o paket her ara yönlendirici tarafından tümüyle alınır ve kendine ilgili çıkış hattı boşalana kadar saklanır, daha sonra o hat üzerinden yönlendirilir. Bu tür yönlendiriciler kullanan bir altağa sakla-yönlendir veya paket-anahtarlamalı altağ ismi verilir. Paket-anahtarlama mantığı şöyle açıklanabilir. Bir kullanıcı başka bir kullanıcıya veri göndermek istediğinde o veriyi sıra numarası eklenmiş küçük paketlere böler. Bu paketler daha sonra ağa sunulur. Her paket ağda tek başına seyahat eder, dolayısıyla farklı paketler farklı yollardan hedefe ulaşabilir. Alıcıda bütün paketler alındığında sıra numaraları gözetilerek orijinal veri tekrar oluşturulur. Bu süreç aşağıdaki şekilde özetlenmiştir:
Yönlendirme kararları yerel olarak verilir. Yönlendirici A ya bir paket geldiğinde paketin yönlendirici B ye veya C ye gönderilmesi A ya kalmıştır. A bu kararı yönlendirme algoritmasına göre belirler. Telsiz Ağlar Telsiz ağlar üç temel kategoriye bölünebilir: 1. Sistemler-arası bağlantı, 2. Telsiz LAN lar, 3. Telsiz WAN lar. 1. Sistemler-arası bağlantı kısa-mesafede radyo kullanarak bir bilgisayarın, monitör, klavye, fare, yazıcı gibi çevrebirimlerini birbirlerine bağlamaya yarar. Bu amaçla Bluetooth standardı tanımlanmıştır. Bluetooth ayrıca sayısal kamera, kulaklık, tarayıcı gibi diğer cihazlarında bağlanmasında kullanılabilir. Sistemler-arası bağlantı aşağıdaki şekilde (a) da görülen efendi-köle (masterslave) yapısını kullanır. Genellikle sistem efendi olarak fare, klavye vs. gibi kölelerle iletişim kurar.
2. Telsiz ağdaki sonraki adım telsiz LAN lardır. Burada her bilgisayar diğer sistemlerle iletişim kurabileceği bir telsiz modem ve antene sahiptir. Şekilde (b) de görüldüğü gibi genellikle bütün bilgisayarlar ortak bir baz istasyonla iletişim kurarlar. Telsiz ağlar için IEEE 802.11 standardı tanımlanmıştır. 3. Üçüncü tür telsiz ağ ise telsiz WAN lardır. Hücresel telefonlar için kullanılan düşük-hızdaki telsiz ağ bu sınıfa bir örnek sayılabilir. Bu düşük-hızlı ağların yanında yeni geliştirilmekte olan IEEE 802.16 (WiMax) standardı yüksek hızlı geniş alan telsiz ağ hizmeti sağlayacaktır. Bütün telsiz ağlar internete ve yerel veri/dosyalara erişimi sağlamak için bir noktada telli ağlara bağlanmak zorundadır. Ev ağları Temel fikir gelecekte evlerde bulunan birçok cihazın bir ağla birbirlerine ve internete bağlanabilecek olmasıdır. Pek çok cihaz bu yeteneğe sahiptir: 1. Bilgisayarlar (masaüstü, dizüstü, PDA), 2. Eğlence cihazları (TV, DVD, VCR, MP3), 3. Đletişim cihazları (telefon, gezgin telefon, fax), 4. Beyaz eşya (buzdolabı, mikrodalga fırın, saat, havalandırma), 5. Telemetre (yangın/hırsız alarmı, termostat). Ağlararası Bağlantı Dünyada gerek donanım gerek yazılım bakımından farklı pek çok ağ bulunmaktadır. Bu ağların birbirleriyle iletişim kurması, dosya paylaşması vs. beklenmektedir. Bu durumda ağlar arası bağlantıyı sağlayacak birden fazla protokolü işletebilen ağ geçidi (gateway) ismi verilen bilgisayarlara ihtiyaç vardır. Bu şekilde birbirine bağlı pek çok ağa ağlar arası bağlantı veya kısaca internet denilmektedir.
Ağ Yazılımı Protokol hiyerarşileri (sıradüzenleri) Tasarım karmaşıklığını azaltmak amacıyla çoğu ağ katman veya seviye yığıtları olarak organize edilmektedir. Her katmanın amacı üstteki katmana belirli hizmetler sunmak, fakat bu servislerin gerçekleştirilmesi ile ilgili detayları üstteki katmanlardan gizli tutmaktır. Bir bilgisayardaki n inci katman ağ üzerinden başka bir bilgisayardaki yine n inci katmanla iletişim kurabilir. Bu iletişim sırasında kullanılan kurallar ve uzlaşımlar toplu olarak n inci katman protokolü olarak isimlendirilir. Temel olarak bir protokol iletişim kuran taraflar arasında iletişimin nasıl gerçekleşeceğini tanımlayan bir anlaşmadır. Aşağıdaki şekilde bir beş katmanlı ağ gösterilmektedir: Faklı bilgisayarlardaki katmanlardaki karşılıklı yapılara eşğörevli öğeler (peer) ismi verilir. Bu eşgörevli öğeler, süreçler, donanım cihazları, hatta insanlardan oluşabilir. Başka bir deyişle, iletişim bu eşgörevli öğeler arasında gerçekleşmektedir.
Gerçekte bir bilgisayarın n inci katmanıyla karşı bilgisayarın n inci katmanı arasında doğrudan veri alışverisi yoktur. Bunun yerine her katman diğer eşgörevli öğeye göndermek istediği bilgiyi kendi tarafındaki bir alt katmana kontol bilgisi ile birlikte iletir. Bu işlem en alt katmana kadar devam eder. Bundan sonra ilgili bilgi gerçek iletişimin yapıldığı fiziksel ortam yoluyla karşı tarafa gönderilir. Her bitişik katman arasında bir arayüz bulunmaktadır. Arayüz alttaki katmanın üstteki katmana sunacağı işlem ve hizmet temel öğelerini (primitive) tanımlar. Katmanlar arasındaki arayüzleri tanımlarken bu öğeler basit ve açık şekilde tanımlanmalıdır. 1. Bu şekilde hangi katmanın hangi servisi vereceği açıkça belirlenmiş olur. 2. Bu şekilde tanımlanmış arayüzler katmanlar arasında iletilmesi gereken kontrol bilgisinin en aza indirilmesini sağlar. 3. Ayrıca ileride ilgili katmanın farklı bir şekilde tekrar gerçekleştirilmesini kolaylaştırır (örneğin iletişim telefon hatlarından uydu kanalına geçirilmesi gibi). Yeni gerçekleştirmede gereken tek şey arayüzde iyi tanımlanmış olan hizmetlerin değişmeden üst katmana eski uygulamanın yaptığı gibi sunulmasıdır. Bir katmanlar ve protokoller kümesine ağ mimarisi adı verilir. Bu mimarinin tasarım belirtimleri (specifications) bir uygulayıcının ağı oluşturacak programları kolayca yazmasını ve donanımı rahatlıkla gerçekleştirmesini sağlayacak kadar iyi belirlenmelidir. Bir sistemde her katman başına kullanılan protokoller kümesine protokol yığıtı ismi verilir. Bu kavramları bir örnek üzerinde inceleyelim. Aşağıdaki şekilde beş katmanlı bir ağda bir bilgisayarın en üstteki beşinci katmanı diğer bilgisayarın eşgörevli katmanına bilgi göndermek istemektedir.
Katman 5 te işleyen bir süreç tarafından üretilen M mesajı Katman 4 e iletişim için verilir. Katman 4 bu mesajın önüne, mesajı belirlemek amacıyla bir başlık (H 4 ) ekler ve Katman 3 e gönderir. Bu başlık boyut, zaman, sıra numarası vs. gibi kontrol bilgisi içerir. Örneğin karşı bilgisayarın Katman 4 ünde alınan mesajın doğru sırada alınıp alınmadığı bu başlığa bakılarak anlaşılabilir. Çoğu ağda bu katmandan gönderilen mesajın boyutları üzerinde bir sınırlama yoktur. Öte yandan, örnekte olduğu gibi Katman 3 den gönderilecek mesajların boyutları sınırlı olabilir. Dolayısıyla, Katman 3, Katman 4 ten gelen mesajı uygun boyutlara sahip birimlere, yani paketlere böler. Daha sonra her paketin başına bir Katman 3 başlığı ekler. Bu başlık yine paketlerin sıra numarası vs. gibi bilgilere içerebilir. Örnekte Katman 4 ten gelen mesaj M, M1 ve M 2 paketlerine ayırılmakta ve her paketin başına H 3 başlığı eklenmektedir. Katman 3 kullanılabilecek hatları belirler ve paketleri Katman 2 ye yönlendirir. Katman 2 pakete hem bir başlık (H 2 ) hem de bir artbilgi (trailer, T 2 ) ekler ve Katman 1 e fiziksel iletişim için gönderir. Alıcı bilgisayarı fiziksel ortamdan aldığı bilgiyi, vericinin ters sırasıyla işleyerek ve her katmanda ilgili başlığı atarak en üstteki Katman 5 e kadar çıkartır. Hiçbir katmana alt katmanlara ait başlık ulaşmaz. Bu örnekte önemli olan sanal ve gerçek iletişim arasındaki bağlantı ve protokoller ve arayüzler arasındaki farktır. Örneğin, her iki bilgisayarın Katman 4 ünde yer alan eşgörevli süreçler kavramsal olarak iletişimin kendi aralarında, yani yatay gerçekleştiğini varsayarlar. Her iki tarafta da muhtemelen ÖbürTarafaGönder ve ÖbürTaraftanAl gibi yordamlar bulunmaktadır ve her iki taraf bu yordamlar yardımıyla birbiriyle konuştuğunu varsaymaktadır. Oysa, bu
yordamlar gerçekte diğer eşgörevli yordamla değil 3/4 arayüzü üzerinden alt katmanların hizmetlerini kullanmaktadırlar. Eşgörevli süreç soyutlaması tüm ağ tasarımlarında hayati önem taşımaktadır. Bu sayede, ağın bir bütün olarak tasarımı sonucu ortaya çıkabilecek ve çözülmesi imkansız sorunlar, daha küçük boyutta, başedilebilir tasarım problemlerine, yani bireysel Katman sorunlarına indirgenmiş olurlar.