Datakommunikasjon bak kulissene

Transkript

1 Forutsetninger for datakommunikasjon Sender og mottaker såkalte endesystemer Kommunikasjonsmedium dvs. datanettet kommunikasjon bak kulissene Regler og prosedyrer såkalte protokoller Kommunikasjonsprogrammer såkalte brukeragenter Jfr. Cyganski kap. 4, 14, 15, 16, 19, 20 Figur fra Bjørn Ness: Into the great wide open : ABC om kommunikasjonstjenester for universitetets IT-brukere INF1040-kom-1 INF1040-kom-2 Hovedutfordringer i datakommunikasjon Dialogkontroll Kodingsformater Feiloppretting Adressering Ruting Disse utfordringene møtes ved hjelp av avtaler om hvordan kommunikasjonen skal skje såkalte protokoller Uten protokoller ville vi drukne i en sjø av Protokoller kan være åpne eller proprietære! Protokoller Definisjon: Et avtalt sett med regler som gir orden og struktur til ulike systemer i ulike situasjoner Du bruker protokoller hver eneste dag: Når telefonen ringer og du tar den, sier du Du venter i køen foran minibankautomaten Du stopper for rødt lys Et brev har mottagerens adresse på et fastlagt sted og på et fastlagt format Du vet hvordan du postlegger et brev Protokoller er utelukkende basert på menneskelige konvensjoner, avtaler og gjensidig forståelse INF1040-kom-3 INF1040-kom-4

2 Lagdeling Komplekse systemer som. f.eks. systemer for datakommunikasjon bygges gjerne opp i såkalte lag. Et bestemt lag benytter tjenester i laget under seg, og yter tjenester til laget over seg Et overliggende lag kjenner ikke til innmaten i tjenestene i det underliggende laget. Laget vet bare hvordan tjenesten skal anropes, og hvilket resultat som kan forventes. I tillegg kan det stilles krav til tjenestens kvalitet (hvor rask, hvor pålitelig, ) Et eksempel på lagdeling - telefonsamtalen Fysisk lag: Telefonapparater, telefonledninger, sentraler Oppsett av ende-til-ende-forbindelse: Slå telefonnummer, vent til anropet besvares Etablering av dialog mellom to personer: Dette er hos Jensen.. Dette er Pettersen kunne jeg få snakke med Hei, her er Per.. Typisk telefondialog partene snakker vekselvis Avslutning av dialog: Takk for praten Taxi Kjør meg til Ifi! Nedkobling av ende-til-ende-forbindelse: Legg på røret Protokoller kan også være gjenstand for forhandlinger, f.eks. om hvilket språk som skal benyttes INF1040-kom-5 INF1040-kom-6 TCP/IP protokoll-stakken OSI protokoll-stakken (OSI-modellen) : Tilbyr et sett av mekanismer (et språk) til applikasjoner som vil kommunisere HTTP, FTP, SMTP dine applikasjoner : Sørger for datatransport fra endesystem til endesystem TCP, UDP : Finner veien gjennom nettverket fra maskin til maskin, adresserer, og videresender data IP : transport mellom to naboer i nettverket, sikrer korrekt overføring av data over et fysisk medium Ethernet, PPP : Biter på ledningen hardware OSI Open Systems Interconnection ISO-standard 7498 To ekstra lag sammenliknet med TCP/IP Presentation: Oversetter mellom ulike dataformater, skjuler forskjeller i representasjon av informasjon Session: Setter opp, kontrollerer og avslutter sessions (jfr. telefonsamtalen), styrer dialogen mellom endeprosesser Få (ingen) produkter i dag kun av teoretisk interesse Presentation Session hardware INF1040-kom-7 INF1040-kom-8

3 Prinsippene i protokoll-stakkene Hvert lag utfører entydige og spesifikke oppgaver En funksjon i et lag kommuniserer tilsynelatende med en motsvarende funksjon i det samme laget, men i en annen node Hvert lag har bare kjennskap til tilgrensende lag Et lag bruker tjenester fra laget under for å kunne utføre sine egne oppgaver Et lag yter tjenester til laget over Grensesnittene for tjenestene er standardisert innmaten kan utformes fritt Eksempel: Lagdeling logisk kommunikasjon Ta imot data fra applikasjonslaget Legg til mottakeradresse og sjekksum Send data til mottakernoden Vent på bekreftelse ( ack ) INF1040-kom-9 INF1040-kom-10 Lagdeling fysisk kommunikasjon Fysiske forbindelser Ledningsbundet samband ( guided electromagnetic waves ) Elektrisk Uskjermet tvunnet parkabel Skjermet tvunnet parkabel Koaksialkabel Lys Fiberoptisk kabel Trådløse samband ( unguided electromagnetic waves ) Radiobølger Infrarødt lys hardware INF1040-kom-11 INF1040-kom-12

4 Fysikkens lover gir begrensninger Begrenset signalhastighet typisk ca. 2*10 8 m/s Begrenset overføringskapasitet typisk fra 10 Mbps til mange Gbps Begrenset overføringslengde pga. dempning ( attenuation ), støy og interferens jo lengre og jo tynnere kabel, jo større dempning Elektriske kabler Originalsignal overføringskapasitet Dempet signal signalhastighet I de fleste tilfeller er begrensninger i overføringskapasiteten mer plagsomt enn begrensninger i signalhastigheten INF1040-kom-13 INF1040-kom-14 og deres karakteristika Fiberoptisk kabel kabeltype Uskjermet tvunnet parkabel typisk kapasitet 10 Mbps Mbps typisk lengde 100 m dempning pr 100 m ved 1000 Mhz 56 db Core and cladding with different indices of refraction hardware Skjermet tvunnet parkabel 10 Mbps Mbps 100 m 37.5 db økende pris Koaksialkabel tynn 10 Mbps 1 km 60 db Koaksialkabel tykk 150 Mbps 100 km 20 db Core-cladding boundary Cyganski figure INF1040-kom-15 INF1040-kom-16

5 Fordeler og ulemper med fiberoptiske kabler Fordeler: Mye høyere overføringskapasitet (Gbps) kan etablere tusenvis av overføringskanaler gjennom en eneste fiber Immun overfor støy og interferens Høy sikkerhet sender ikke ut elektromagnetiske signaler derfor umulige å tappe forstyrrer ikke omgivelsene Mindre dempning mindre enn 0,2 db/km Typisk lengde 100 km mellom forsterkere Pålitelig særlig i ekstreme miljøer Lettere og mer kompakt enn kobber Ulemper: Kostnader for utstyr for å konvertere elektriske signaler til optiske og vice versa Krevende å skjøte Fiberoptiske kabler er på fremmarsj Bob Metcalfe: I dag legges fiber med en hastighet på Mach 3 i verden legges det altså én kilometer fiber per sekund dvs. to ganger rundt ekvator per døgn! Stadig høyere overføringskapasiteter: Eksempelvis demonstrerte Siemens høsten terabits pr sekund (7 * bps) over en eneste fiber, oppnådd med 176 bølgelengder med 40 Gps. Dette tilsvarer mer enn 1000 bps for hvert eneste menneske på jorda! (Kilde: Geir Steen-Olsen & Arnie Stalheim: Innføring i nettverk infrastruktur) INF1040-kom-17 INF1040-kom-18 Trådløse samband Bånd i radiospekteret Lav frekvens = lang periode Høy frekvens = kort periode hardware Kilde: Signalhastighet = lyshastigheten 3*10 8 m/s Radiospekteret består av mange frekvensbånd Kommunikasjonsutstyr kan bruke ulike frekvenser Regulerte frekvenser bruken er regulert gjennom nasjonale og internasjonale avtaler Frie frekvenser MF AM Radio Maritimt HF Maritimt Amatørradio VHF Televisjon FM radio Flytrafikk FM radio MHz UHF/SHF Satellitt Televisjon Mobiltelefoner Mikrobølger EHF Astronomi ~ MHz frekvensområde INF1040-kom-19 INF1040-kom-20

6 Ulike trådløse forbindelser Trådløse forbindelser atskiller seg med hensyn på Hvilket frekvensbånd som brukes Enkeltfrekvens eller spread spectrum Effekt (og dermed dekningsområde) Punkt-til-punkt eller kringkasting Fysisk topologi Båndbredde Multipleksing Bit-synkronisering Det fysiske laget hardware Trådløse forbindelser er utsatt for avlytting dette må kompenseres med sikkerhetstiltak (f.eks. kryptering) INF1040-kom-21 INF1040-kom-22 Punkt-til-punkt-topologi Fysisk topologi Båndbredde, basisbånd vs. bredbånd Båndbredde Teoretisk mål for overføringskapasitet Båndbredden kan utnyttes på to måter: Basisbånd-signalering» Signalet sendes digitalt og tar hele båndbredden Buss-topologi Ring-topologi krever adressering Bredbåndsignalering» Signalet formidles ved å modulere en bærebølge (amplitude, frekvens, faseskift, ) som overføres analogt (!) Stjerne-topologi Maske-topologi» Gir flere kanaler flere signaler kan overføres samtidig (multipleksing) Multipleksing kan også gjøres med tidsdeling INF1040-kom-23 INF1040-kom-24

7 Bit-synkronisering Point-to-point, asynkron overføring Det kommer en strøm av biter over overføringsmediet Mottaker må være synkronisert med avsender Mottaker må få vite hvor hver byte begynner og slutter Husk at biter kan mistes på veien hvordan forhindre at en tapt bit ødelegger hele meldingen? Cyganski Fig 4.1 INF1040-kom-25 Start bit bit 1 bit 2 bit 3 bit 4 Sender og mottaker må være enige om bitraten Synkronisering mellom hver byte Etter mottak av stop-bit venter mottager på neste start-bit og synkroniserer I tillegg sendes ofte et paritetsbit Må sende 11 bit for å overføre 8 bit data Eksempel på standard: RS-232 bit 5 bit 6 bit 7 bit 8 Stop bit INF1040-kom-26 Point-to-point, synkron overføring bit 1 bit 2 bit 3 Klokkingen overføres i parallell med dataene på separat linje bit 4 bit 5 bit 6 bit 7 bit 8 bit 9 bit 10 Her: Integrert klokking Point-to-point, overføring i pakker Flagg Adresse 8 biter Kontroll 16 biter N * 8 biter CRC 16 biter Flagg Standard HDLC ramme ( frame ) Eksempel: HDLC High level data link protocol En ramme startes og avsluttes med en flaggbyte = mengden kan være stor (flere tusen biter) integrert (spenningsendring = 0, ingen spenningsendring = 1) En av sidene gir klokkingen, den andre tar klokkingen HDLC-formatet dekker også -laget INF1040-kom-27 INF1040-kom-28

8 HDLC Bit -stuffing En protokoll som HDLC vil feile hvis flagg-byten forekommer også andre steder i bitstrømmen Husk at = ASCII/UTF-8 ~ Slutten på et tegn sammen med begynnelsen på et annet, eller f.eks. en RGB-verdi kan også gi For å fikse dette problemet: Etter at flagg-byte er sendt: laget Kontrollerer dataflyt i det fysiske laget Fysisk adressering Feilhåndtering (ved hjelp av CRC) CRC Cyclic Redundancy Check en sjekksum som gjør det mulig å kontrollere at dataene er korrekt overført Flytkontroll (forhindre at sender sender mer enn mottaker kan motta) hardware Sender: Hvis du har sendt fem 1 etter hverandre, sett inn en ekstra 0 Mottaker adresse Sender adresse Pakke ID Sjekksum CRC Mottaker: Hvis du har mottar fem 1 etter hverandre, etterfulgt av en 0, fjern 0 en Dette kalles Bit Stuffing eller Zero Bit Insertion Sender adresse header Mottaker adresse Pakke med ID = id OK Jfr. HDLCformatet INF1040-kom-29 INF1040-kom-30 Lokalnett-teknologier Nettverkslaget Ethernet, trådløse nett Buss-topologi Adressering ved hjelp av Ethernet-adresser OUI (Organizationally Unique Identifiers) 48 biter også kalt MAC-adresser jf. Cyganski side 263 Den høflige samtale Collision Detection Multiple Access» Lytt på linjen» Hvis det er stille, kan vi sende» Sjekk om noen andre er begynt samtidig» Ved kollisjon, avbryt sending og vent en tilfeldig tid før neste forsøk hardware Finner veien gjennom nettverket fra maskin til maskin, adresserer, og videresender data Svitsjing Linjesvitsjing (CCITT X.21) En fast forbindelse gjennom nettet opprettes og holdes oppe så lenge sesjonen varer. Meldingssvitsjing ( store and forward ) Pakkesvitsjing (CCITT X.25) ene deles opp i mindre pakker som sendes uavhengig av hverandre gjennom nettet. På mottakersiden må pakkene settes sammen igjen i riktig rekkefølge. Hvis en pakke skulle være feilaktig eller mangle, må mottaker be avsender om å få den overført en gang til. Logisk adressering og ruting Metafor: av et vanlig brev Eksempel på protokoll: IP (Internet Protocol) hardware INF1040-kom-31 INF1040-kom-32

9 laget Sørger for datatransport fra endesystem til endesystem Skjuler kompleksiteten i underliggende lag Kan tilby ulike transporttjenester Forbindelsesløs upålitelig Forbindelsesorientert pålitelig hardware Forbindelsesorientert transporttjeneste Oppstart Etabler forbindelsen Handshaking Lager en tilstand i de to endesystemene Under kommunikasjonen forbindelse Endesystemene forventer data fra kommunikasjonspartneren Tilbakemelding til sender om at dataene er kommet vel fram (eller eventuelt ikke) Avslutning av kommunikasjonen Bryt ned forbindelsen (bye-bye) Eksempel på protokoll: TCP ( Transmission Control Protocol ) INF1040-kom-33 INF1040-kom-34 Oppstart Forbindelsesløs transporttjeneste Ingen oppstart, bare begynn å sende data Endesystemer må alltid forvente data Under kommunikasjonen ingen oppsatt forbindelse Ingen bestemt tilstand i endesystemene Sender vet ikke om mottaker forventer data Ingen tilbakemelding til senderen om at dataene er kommet vel fram til mottaker Sender må identifisere seg i hver melding Avslutning av kommunikasjonen Ingen nedkobling bare slutt å sende data Eksempel på protokoll: UDP ( User gram Protocol ) Det enkle kan være bra nok INF1040-kom-35 Applikasjonslaget Applikasjonslaget tilbyr egnede tjenester for egenutviklede applikasjonsprogrammer I tillegg tilbyr applikasjonslaget standardiserte tjenester ofte spesifikke for de underliggende protokollene Internett-tjenester som bruker TCP HTTP FTP (filoverføring) SMTP (e-post) Telnet (fjerninnloging) Internett-tjenester som bruker UDP Streaming media Videokonferanser Internett-telefoni Navnetjenere hardware INF1040-kom-36

10 Sammenkopling av nett Topologien i Internett Ulike typer utstyr Repeatere forsterker signalet Broer og svitsjer sammenkopling i link-laget A B Rutere sammenkopling i nettverkslaget Gateways sammenkopling i applikasjonslaget jf. Cyganski side 274 Flere mulige veier fra A til B For hver datapakke velges billigste vei INF1040-kom-37 INF1040-kom-38 IP-adresse Hvordan adressere maskiner Entydig adresse til maskiner tilknyttet Internett Format: 4 tall med punktum mellom Eks.: DNS-adresse Format: domene.domene... toppdomene» Eks.: Hierarkisk adressesystem En maskin har bare én IP-adresse, men kan ha flere nodenavn Hvorfor DNS-adresser? Enklere å huske Samme maskin kan ha flere navn DNS-adresse kan flyttes fra maskin til maskin Hvordan adressere maskiner (forts.) OUI-adresse/MAC-adresse (Ethernet-adresse) Entydig adresse på Ethernet-nettverkskort Hvilken IP-adresse har maskinen med en gitt OUI-adresse? Statisk tilordning fast IP-adresse Dynamisk tilordning IP-adressen tildeles ved pålogging på nettet Ruteren har tabeller over tilordningene Hvordan vet vi om en maskin med en gitt IP-adresse befinner seg i lokalnettet eller ikke? INF1040-kom-39 INF1040-kom-40

11 IP-adresse Nettleser Fra DNS-adresse til IP-adresse DNS-adresse lokal nodenavn / nettadresse - tabell lokale navnetjenere Navnetjener Tjenestekvalitet (QoS Quality of service) Kvalitetsparametre Pålitelighet Overføringskapasitet Forsinkelse tabell over andre navnetjenere som kan hjelpe med ukjente nodenavn Ulike anvendelser har ulike behov! Eksempler: Web-tjener Web-tjenerens administrator må garanterere nodenavnets nettadresse over en gitt periode Navnetjener Overføring av tekst (forsinkelse OK, pakketap ikke OK) Videostreaming (Bufrer hos mottaker forsinkelse og pakketap er OK) Toveis telefoni (Tåler bare små forsinkelser -> linjesvitsjing eller pakkesvitsjing med garantert QoS) INF1040-kom-41 INF1040-kom-42 Hvordan bedre tjenestekvalitet? Overdimensjonering av båndbredde Trafikkprioritering Optimalisering av pakkehåndtering i nodene IPv6 vs. IPv4 Adresserom øket fra 32 bit til 128 bit -> gir mulighet for 1500 IP-objekter pr m 2 på jordens overflate Ryddigere IP-adresser kortere ruting-tabeller Enklere (automatisert) tildeling av IP-adresser Innføring av tjenesteklasser -> mer effektiv behandling i nettverket -> prioritering mulig Sikkerhetsmekanismer IPv6 kan samkjøres med IPv4 INF1040-kom-43 INF1040-kom-44

12 Oppsummering Lagdelte protokoller er sentrale i datakommunikasjon Fysiske overføringsmedier Ledningsbundet samband: Elektriske kabler, fiberoptiske kabler Trådløse samband: Radio, infrarødt Multipleksing gir flere kanaler på samme fysiske samband: Tidsdeling, frekvensmodulasjon Point-to-point-forbindelser Lokalnett: Ethernet, Token Ring, Fjernnett: Pakkesvitsjing, meldingssvitsjing, linjesvitsjing Sammenkoblingsutstyr: Repeatere, svitsjer, e og gateways Lokalnett knyttes til fjernnett med e eller gateways Adressering av maskiner OUI/MAC, IP, DNS Tjenestekvalitet ulike anvendelser har ulike behov INF1040-kom-45