Foreleser: Kjell Åge Bringsrud

Transkript

1 Introduksjon til Datakommunikasjon Foreleser: Kjell Åge Bringsrud (rom: 3204) (epost: INF1060 Introduksjon 1

2 Innledning Mål Gi en oversikt over emnet Tilnærming Beskrivende Bruke Internet som eksempel Innhold Hva er Internet? Hva er en protokoll? Ende-systemer Kjerne-nettverk Aksess-nettverk og fysiske media Gjennomstrømning (throughput) tap og forsinkelse Protokoll-lag, tjeneste-modeller Backbones (ryggrad), NAP er, ISP er Historie INF1060 Introduksjon 2

3 Hva er Internet? Millioner av sammenknyttede enheter: vertsmaskiner, endesystemer PCer, arbeidsstasjoner, tjenermaskiner PDAer, telefoner, kjøleskap som kjører nettverks-anvendelser Kommunikasjonslinjer/forbindelser Fiber, kobber, radio, satellitt Rutere Videresender datapakker gjennom nettverket ruter tjener arbeidsstasjpn mobil enhet INF1060 Introduksjon 3

4 Hva er Internet? Internet: nettverk av nettverk Delvis hierarkisk Offentlig Internet versus private intranet ISP-er: Internet Tjenesteytere ( Service Providers ) Protokoller Kontrollerer sending og mottak av meldinger. F.eks., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP lokal ISP Institusjonsnettverk ruter tjener arbeidsstasjon mobil enhet regional ISP INF1060 Introduksjon 4

5 Ende-systemer Ende-systemer Kjører applikasjonsprogrammer F.eks., web browser, web-tjener, epost Befinner seg på ytterkanten av nettverket Klient/tjener model Klienten spør etter, og får en tjeneste fra tjener F.eks. WWW klient (browser)/ tjener; epost klient/tjener Peer-to-peer model Interaksjoner er symmetriske F.eks.. Telefon-konferanse Internet standards: RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force INF1060 Introduksjon 5

6 Hva er en protokoll? Protokoller definerer formater, rekkefølge for sending og mottak av meldinger, og de aksjoner som mottak av meldinger initierer. (En hendelse fører ofte til tilstandsforandringer) INF1060 Introduksjon 6

7 Hva er en protokoll? Sammenlikning av menneskelig protokoll og en datamaskin-protokoll: Hei! Hei! Hva er klokka? TCP connect request TCP connect response GET <fil> tid INF1060 Introduksjon 7

8 Hva er protokoll-lag? Kommunikasjonen foregår på forskjellige nivåer (lag): Snakker du norsk? Sprechen Sie Deutsch? Do you speak English? Yes! Bruk det engelske språk for videre meldingsutveksling! What s your name? Peter Bruk navnet I den videre kommunikasjonen! Peter, have you met Paul? tid INF1060 Introduksjon 8

9 Hva er protokoll-lag? Nettverk er komplekse Mange deler: Maskinvare, programvare Ende-systemer, rutere Linker av ulike slag Protokoller Applikasjoner (anvendelser) Man har forsøkt å organisere nettverksstrukturen, slik at det i det minste etableres et felles begrepsapparat. INF1060 Introduksjon 9

10 Kommunikasjonssystemer beskrives ofte ved en lagdelt arkitektur - hvorfor? Hensikten er å lette kontrollen av komplekse systemer: Modularisering forenkler Design Vedlikehold Updatering av et system Eksplisit struktur tillater Identifikasjon av de enkelte delene Relasjoner mellom disse Klar struktur: lagdeling Lagdelt referanse-model Mål: Forskjellige implementasjoner av et lag passer til alle implementasjoner av andre lag INF1060 Introduksjon 10

11 TCP/IP - protokoll stack applikasjon: understøtter nettverksapplikasjoner ftp, smtp, http Dine applikasjoner transport: data-overføring fra endesystem til endesystem TCP, UDP nettverk: finne veien gjennom nettverket fra maskin til maskin IP (data) : data-overføring mellom to naboer I nettverket ppp, ethernet fysisk: bit på ledningen applikasjon transport nettverk fysisk INF1060 Introduksjon 11

12 OSI - modellen Er en internasjonal standard for lagdeling av kommunikasjonsprotokoller OSI: Open Systems Interconnection Definert av ISO the International Standardization Institute Denne arkitekturen har to lag i tillegg til de man har i Internet stack-en presentasjon: oversetter mellom forskjellige formater XML, XDR Sørger for plattform uavhengighet sesjon: kontroll av forbindelser, opp- og ned-koplinger av kommunikasjons-sesjoner, synkronisering og resynkronisering RTP applikasjon presentasjon session applikasjon transport nettverk fysisk INF1060 Introduksjon 12

13 Lagdeling: logisk kommunikasjon Hvert lag er: Distribuert Entiteter implementerer funksjonaliteten for hvert lag i hver node Entitetene utfører operasjoner og utveksler meldinger med andre entiteter på tilsvarende lag applikasjon transport nettverk fysisk applikasjon transport nettverk fysisk applikasjon transport nettverk fysisk nettverk fysisk applikasjon transport nettverk fysisk INF1060 Introduksjon 13

14 Lagdeling: logisk kommunikasjon F.eks.. transport Motta data fra applikasjonen Legg til mottageradresse, pålitelighetstest, informasjon for å lage et datagram Send datagrammet til transportlaget i mottager-noden Vent på ack fra transport laget i mottager-noden Analogi: postkontor data applikasjon transport nettverk fysisk applikasjon transport nettverk fysisk data ack applikasjon transport nettverk fysisk nettverk fysisk data applikasjon transport nettverk fysisk INF1060 Introduksjon 14

15 Lagdeling: Fysisk kommunikasjon data applikasjon transport nettverk fysisk applikasjon transport nettverk fysisk applikasjon transport nettverk fysisk nettverk fysisk data applikasjon transport nettverk fysisk INF1060 Introduksjon 15

16 Hl Protokoll-lag og data Hvert lag henter data fra det ovenforliggende laget Legger til informasjon i hodet (header) for å lage en ny data enhet (melding, segment, ramme, pakke ) Send den nye data-enheten til det nedenforliggende laget source destination Ht HnHt HnHt M M M M applikasjon transport nettverk fysisk applikasjon transport nettverk fysisk Hl Ht HnHt HnHt M M M M melding segment datagram ramme INF1060 Introduksjon 16

17 Aksess-nettverk og fysiske overføringsmedier Hvordan tilknyttes endesystemer til kant-rutere? Hjemme-nettverk Institusjons-nettverk (skoler, firmaer) Mobile aksess-nettverk Bør ha i tankene når en teknologi velges: Båndbredde? Delt eller dedisert medium? INF1060 Introduksjon 17

18 Hjemme-nettverk: punkt til punkt Ringe opp via modem Opp til 56Kbps direkte aksess til ruteren (i det minste i teorien) ISDN: integrated services digital network 128Kbps ren digital forbindelse til ruteren ADSL: asymmetric digital subscriber line Opp til 1 Mbps opp (hjem-tilruter) Opp til 8 Mbps ned (ruter-tilhjem) INF1060 Introduksjon 18

19 Hjemme-nettverk: kabel-modem/bredbånd Et eksempel HFC: hybrid fiber coax Asymmetrisk: opp til 10Mbps ned, 1 Mbps opp Nettverk av kobber kabel og optisk fiber forbinder hjem til ISP rutere Delt aksess til ruter for mange hjem Problemer: overbelastning (trafikk-kork), dimensjonering fiber kabel ruter Koaksial-kabel hundrevis av hjem INF1060 Introduksjon 19

20 Aksess-nettverk ved institusjoner (LAN) Firma/universitet: lokalnett (Local Area Network; LAN) knytter ende-systemer til resten av nettet Ethernet: Delt eller dedisert kabel tilknytter ende-systemer og rutere 10 Mbps, 100Mbps, Gigabit Ethernet INF1060 Introduksjon 20

21 Trådløse aksess-nettverk Delte trådløse aksessnettverk knytter endesystemer til rutere Trådløse LAN: radio spektrum erstatter kabel F.eks. IEEE b - 11 Mbps IEEE a 54 Mbps Trådløs aksess over lange avstander GSM for eksempel ruter base stasjon mobile maskiner INF1060 Introduksjon 21

22 Fysisk medium Fysisk : et sendt bit forplanter seg gjennom en Lukkete media: Signaler forplanter seg i kabel (kobber, fiber) Åpne media: Signaler forplanter seg fritt, f.eks. radio. Tvunnet Par (TP) To isolerte kobber kabler Kategori 3: tradisjonelle telefonkabler, 10 Mbps Ethernet Kategori 5 TP: 100Mbps Ethernet Kategori 6 TP: 1Gpbs Ethernet INF1060 Introduksjon 22

23 Fysisk medium: koaks, fiber Koaksial-kabel Ledning (signal bærer) i en ledning (skjerming) basebånd: en enkelt kanal på en kabel bredbånd: flere kanaler på en kabel Toveis (bidireksjonal) Typisk brukt for 10Mbs Ethernet. Fiberoptisk kabel Optisk fiber som bærer lys impulser Høyhastighets punkt-tilpunkt overføring Lav feilrate Lange avstander 100Mbps, 1Gbps Ethernet INF1060 Introduksjon 23

24 Fysisk medium: radio Radio Signal i elektromagnetisk spektrum Ingen fysisk kabel Bi-directional Virkninger av omgivelsene på distribusjon: Refleksjon Obstruksjon av blokkerende gjenstander Interferens Typer av radio-er mikrobølge LAN F.eks. opp til 45 Mbps 2Mbps, 11Mbps, 54Mbps langdistanse GSM, 9,8 Kbps satellitt Opp til 50Mbps pr kanal (eller flere tynnere kanaler) 270 Msec ende-til-ende forsinkelse (begrenset av lyshastigheten). INF1060 Introduksjon 24

25 Kjerne-nettverk: Linjesvitsjing Ende-til-ende resurs reservering for en sesjon Nettverkene består av ressurser Kabler Svitsjer Nettverks-ressurser kan deles Etablering av en forbindelse Svitsjene reserverer en del av de tilgjengelige ressursene Deling av båndbredden til en Frekvensdeling Tidsdeling INF1060 Introduksjon 25

26 Kjerne-nettverk: Pakkesvitsjing Enhver ende-til-ende data strøm er oppdelt i pakker Data strømmer deler nettverksressurser Hver pakke bruker hele båndbredden til en Resursene brukes når de trenges Deling av båndbredde Dedikert tildeling Ressurs reservering Konkuranse om ressurser. Samlet ressurs-behov kan overskride de tilgjengelige ressursene Opphopning: pakker køes foran tynne er Lagre og framføre ( Store and forward ): pakker flyttes over en av gangen Sende over en Vent på din tur ved neste INF1060 Introduksjon 26

27 Kjerne-nettverk: Pakkesvitsjing A 10 Mbps Ethernet statistisk multipleksing C B Kø av pakker som venter på tilgang til en 1.5 Mbps 45 Mbps D E INF1060 Introduksjon 27

28 Pakkesvitsjing versus linjesvitsjing Pakkesvitsjing tillater flere brukere i nettet! Eksempel: 1 Mbps Hver bruker 100Kbps når de er aktive Aktive 10% av tiden, ved random tidspunkter Linjesvitsjing max 10 brukere Sansynlighet for tap: 0% Ubrukt: ~90% kapasitet Pakkesvitsjing >10 kan være aktive samtidig! Sansynlighet for tap>0% Ubrukt: < 90% Kapasitet N brukere 1 Mbps INF1060 Introduksjon 28

29 Pakkesvitsjing versus linjesvitsjing Er pakkesvitsjing alltid den beste tilnærming? Bra for data med bursty adferd Ressursdeling Ingen oppkoplingsfase er nødvendig I et nettverk med opphopning: forsinkelse og pakketap Protokoller er nødvendig for pålitelig trafikk og opphopningskontroll Hvordan kan man oppnå en adferd a la den for linjesvitsjing? Båndbredde-garantier er nødvendig for audio/video applikasjoner Uløst problem så langt! INF1060 Introduksjon 29

30 Forsinkelse i pakkesvitsjete nettverk Transmisjons-forsinkelse: R = båndbredde (bps) L = pakkestørrelse (bits) Tid som trengs for å legge en pakke ut på en = L/R Propagerings-forsinkelse: d = fysisk lengde (m) s = propagerings-hastighet i mediet (~2x10 8 m/sec) Propagerings-forsinkelse = d/s A transmisjon propagering Merk: s og R er av veldig ulik størrelse! B node prosessering køing INF1060 Introduksjon 30

31 Pakkesvitsjete nettverk: Ruting Mål: flytte pakker fra ruter til ruter mellom kilde og destinasjon Det er flere metoder for å finne veien som pakkene forflytter seg. Datagram nettverk: Destinasjons-adressen bestemmer neste hopp. Veien kan endres i løpet av sesjonene. Rutere trenger ingen informasjon om sesjoner. Analogi: spør om veien mens du kjører. Virtuell krets nettverk: Hver pakke har en tag (virtuell krets ID), som bestemmer det neste hoppet. Veien bestemmes når forbindelsen settes opp og forblir den samme for hele sesjonen. Rutere trenger tilstandsinformasjon for hver virtuell krets. INF1060 Introduksjon 31

32 Nettverks-laget: IP Datagram svitsjing IP Internet Protokoll Datagram tjeneste på Internet RFC 791 IP tilbyr: Datagram tjeneste Upålitelig Uordnet Adressering Ruting IP nettverk kan benytte virtuelle kretser IPv4: en virtuell krets er ett hopp INF1060 Introduksjon 32

33 Forbindelsesorientert tjeneste Mål: data-overføring mellom ende-systemer Start på kommunikasjon Håndtrykk Innledende forberedelse til dataoverføring Hei!, hei! Er en menneskelig håndtrykk situasjon Lager en tilstand i de to maskinene som kommuniserer. Ende-systemene vet om sine kommunikasjonspartnere I løpet av kommunikasjon Forbindelse End-systemet forventer meldinger fra det tilknyttede ende-systemet Ende-system vet når meldinger tilhører forbindelsen Slutt på forbindelsen Nedkopling Farvel! Farvel! Er en menneskelig nedkoplingsprotokoll Nytt håntrykk er nødvendig for å re-etablere forbindelse INF1060 Introduksjon 33

34 Forbindelsesløs tjeneste Mål: data-overføring mellom end-systemer (som før) Start på kommunikasjon Ingen opprettelse av orbindelse Ingen forberedelse for data-overføring Programmene må forvente meldinger til enhver tid Under kommunikasjonen Ingen forbindelse Ingen tilstand i maskinene Sendere vet ikke hvorvidt meldinger er forventet Sender må identifisere seg i hver melding Slutt på kommunikasjon Ingen nedkopling Bare slutt å sende INF1060 Introduksjon 34

35 Transport-laget: TCP Forbindelses-orientert tjeneste TCP Transmission Control Protocol Forbindelses-orientert tjeneste på Internet RFC 793 TCP tilbyr: Forbindelser Håndtrykk, ende-system tilstand, nedkopling Pålitelig, ordnet, strømorientert, data-overføring Tap: kvittering og retransmisjon Flytkontroll: Sender ikke fortere enn mottager kan motta Metnings-kontroll: Sender langsommere når nettverket er mettet. INF1060 Introduksjon 35

36 Transport-laget: UDP Forbindelsesløs tjeneste UDP User Datagram Protocol Forbindelsesløs tjeneste på Internet RFC 768 UDP tilbyr: Ingen forbindelse Send umiddelbart Usikker, uordnet, pakkeorientert data-overføring Tap: meldinger mistes rett og slett Meldinger ankommer nøyaktig som de ble sendt Ingen flytkontroll Sender så fort som programmene ønsker Ingen metningskontroll Ignorerer nettverks-problemer INF1060 Introduksjon 36

37 Transport-laget: applikasjoner Applikasjoner som benytter TCP: Applikasjoner som benytter UDP: HTTP (WWW) FTP (filoverføring) SMTP (epost) Streaming media Video-konferanse Internet telefoni Telnet (fjern innlogging) NTP (network time protocol) INF1060 Introduksjon 37

38 Internet struktur: nettverk av nettverk Mer eller mindre hierarkisk Nasjonale/internasjonale backbone providers (NBPs) Disse knyttes sammen enten privat eller ved såkalte Nettverk Aksess Punkter ( Network Access Points : NAPs) regionale ISPer Knytter seg til NBPer lokale ISPer, firmaer Knytter seg til regionale ISPer NAP regional ISP lokal ISP NBP B NBP A lokal ISP regional ISP NAP INF1060 Introduksjon 38