Innføring i datakommunikasjon

Transkript

1 Innføring i datakommunikasjon

2 Gyldendal-TISIP-serien databøker på norsk! Gyldendal Akademisk og Stiftelsen TISIP ved Høgskolen i Sør-Trøndelag har gått sammen om å utvikle en portefølje av databøker på norsk, som er skreddersydde for pensummarkedet ved universitet og høgskoler. De passer også godt for selvstudium og etterutdanning. Målet med bokserien er å utvikle litteratur som er fullt på høyde med den engelskspråklige, både faglig og pedagogisk. Bøkene skal alltid være faglig à jour og ha gode nettsider som er tilpasset behovet til studenter og forelesere. Per Borgesen: Dynamiske websider, 1. utgave 2003 Marie Christensen og Louis Harder Fischer: Utvikling av multimedier, 1. utgave 2004 Mads E. Eilertsen og Arne B. Mikalsen: Linux tjenestedrift, 1. utgave 2003 Helge Hafting og Mildrid Ljosland: Algoritmer og datastrukturer, 1. utgave 2003 Ø. Hallsteinsen, B. Klefstad og O. Skundberg: Innføring i datakommunikasjon, 1. utgave 2005 Kjell Toft Hansen og Tore Mallaug: Databaser, 1. utgave 2003 Tore Berg Hansen og Greta Hjertø: Kvalitet og programvareutvikling, 1. utgave 2003 Svend Andreas Horgen: Webprogrammering i PHP, 2. utgave 2005 Stig Jensen: Introduksjon til datakommunikasjon, 1. utgave 2002 Else Lervik og Vegard B. Havdal: Programmering i Java, 3. utgave 2004 Else Lervik og Mildrid Ljosland: Programmering i C++, 1. utgave 2003 Geir Maribu: Praktisk Linux, 1. utgave 2003 Bokserien ble i 2005 tildelt Rosings språkpris, utdelt av Den Norske Dataforening og Norsk språkråd. Fra juriens begrunnelse: «Årets språkpris går til en kandidat som i flere år har gjort en innsats for å utarbeide og produsere IKT-lærebøker av høy faglig kvalitet på norsk. De har vist at det ikke bare er mulig å lage og selge norskspråklige lærebøker i IKT-fag, men også at norsk er et fullgodt og funksjonelt fagspråk på et område som ellers er sterkt preget av sitt engelskspråklige opphav.»

3 Øyvind Hallsteinsen, Bjørn Klefstad, Olav Skundberg Innføring i datakommunikasjon

4 Øyvind Hallsteinsen, Bjørn Klefstad og Olav Skundberg, Stiftelsen TISIP og Gyldendal Norsk Forlag utgave 2005 ISBN Omslagsfoto: Scanpix Omslag: Kristin Berg Johnsen Layout: Designlaboratoriet Sats: Øyvind Hallsteinsen, Bjørn Klefstad og Olav Skundberg Brødtekst: Times New Roman 10,5/12,5 pkt Papir: 90 g Galerie One Trykk: AIT Otta as, 2005 Boken er utgitt i samarbeid mellom Stiftelsen TISIP og Gyldendal Akademisk Alle henvendelser om boken kan rettes til Gyldendal Akademisk Postboks 6730 St. Olavs plass 0130 Oslo [email protected] Verken Øyvind Hallsteinsen, Bjørn Klefstad, Olav Skundberg, Stiftelsen TISIP eller Gyldendal Akademisk tar ansvar for at programmene i boka og på bokas internettside kan brukes til annet enn undervisningsformål. Det må ikke kopieres fra denne boka i strid med åndsverkloven eller avtaler om kopiering inngått med KOPINOR, interesseorgan for rettighetshavere til åndsverk. Kopiering i strid med lov eller avtale kan medføre erstatningsansvar og inndragning, og kan straffes med bøter eller fengsel.

5 Innhold Innledning Kapittel 1 Introduksjon til datakommunikasjon Introduksjon IKT og datakommunikasjon Hva er bredbånd? Kort om den historiske utviklingen Kapittel 2 Grunnprinsipper Grunnprinsipper Standardisering Standardiseringorganisasjoner ISO ITU IEEE IETF W3C Arbeidsdelingen mellom standardiseringsorganisasjonene Norske standardiseringsorganisasjoner Lagdelte kommunikasjonsmodeller Innkapslingsprinsippet (innpakking og utpakking) Lagene og deres funksjoner Pakkesvitsjede nettverk Pakkesvitsjing Datagramnettverk Virtuell-kanal-nettverk Linjesvitsjing Klient tjener-arkitektur

6 6 Innføring i datakommunikasjon Kapittel 3 Anvendelser av Internett Hva er Internett? Web Nettleseren Webtjeneren HTML URL HTTP HTTP-forespørsel HTTP-svar Metoder for å effektivisere webtjenesten Lokal mellomlagring Vedvarende forbindelser Vedvarende forbindelser med pipelining Parallelle forbindelser Informasjonskapsler E-post E-postklienter E-posttjenere Sending av e-post med SMTP Formatet på e-post E-postformat og RFC MIME Lesing av e-post med POP3 og IMAP Navnetjenesten DNS Navneoppslag i DNS sett fra sluttbruker DNS og virtuelle webtjenere Strukturen på domenenavn Forvaltning av domener Kort om implementeringen av DNS DNS-håndtering av oppslag fra lokal navnetjener Flere funksjoner i DNS Om applikasjonslagets protokoller Kapittel 4 Transportlaget Transportlagets oppgave Adressering på transportlaget Pålitelig og upålitelig datakommunikasjon Forbindelsesorientert og forbindelsesløs kommunikasjon Glidende vindu Deteksjon av bitfeil Sjekksum Andre feildeteksjonsmetoder

7 Innhold Pålitelig dataoverføring med TCP TCP pakkeformat Etablering av forbindelse Pålitelig overføring av data Tilpasning til mottakers kapasitet flytkontroll Tilpasning til nettets kapasitet, metningskontroll TCPs sendevindu TCPs tilstandskontroll Upålitelig dataoverføring med UDP Eksempler på bruk av porter Kapittel 5 Nettverkslaget Nettverkslaget IP-protokollen IP-formatet Fragmentering av IP-pakker IP-adressering CIDR Classless Inter-Domain Routing Klassebasert adressering IP-adresser til spesiell bruk Private IP-adresser Multicasting Nettverks- og kringkastingsadresser Rutere Hierarkisk ruting og ruteaggregering Organisering av nettverk Hvordan finne den autonome sonen til en webtjener Kopling mellom autonome soner Samtrafikk mellom AS i Norge Internet Control Message Protocol og Traceroute Kapittel 6 Lenkelaget og det fysiske laget Oppgavene til lenkelaget og det fysiske laget Lenkelaget Praktisk håndtering av arbeidsoppgavene til lenkelaget Konstruksjon av nettverk Topologier Punkt-til-punkt og multiaksess Full dupleks, halv dupleks og simpleksforbindelser Aksessmekanismer Konkurranse Token passing Polling

8 8 Innføring i datakommunikasjon 6.5 Det fysiske laget Praktisk håndtering av arbeidsoppgavene til det fysiske laget Medier Trådparkabler Fiber Trådløs kommunikasjon Analoge og digitale data og signaler Digital signalering sprangvis variasjon Analog signalering modulering av bærebølge Synkronisering Multipleksing Frekvensdelt multipleksing Tidsdelt multipleksing Statistisk multipleksing Kapittel 7 Nettverksteknologier Innledning Ethernet Hvordan Ethernet fungerer Svitsjet Ethernet Kollisjonsdomene og kringkastingsdomene Regulering av tilgang til mediet med CSMA/CD Ethernet rammeformat Behandling av Ethernet-rammer MAC-adresser Ethernet-standarder Trådløse nettverk Ulike bruksområder, ulike løsninger Trådløse lokalnettverk Operasjon i et trådløst lokalnettverk Regulering av tilgang til mediet med CSMA/CA Regulering av tilgang til mediet med PCF Sikkerhet i trådløse lokalnettverk Kapittel 8 Nettverk i praksis Hvordan komme seg på nett? Forbindelsen til Internett Infrastrukturen Oppsett på datamaskinen Dynamic Host Configuration Protocol (DHCP) Kopling mellom IP- og MAC-adresser: ARP Network Address Translation (NAT) Alternativ infrastruktur

9 Innhold Nettverkskomponenter Det fysiske laget repeatere, mediekonvertere og huber Lenkelaget broer, svitsjer og trådløse aksesspunkter Nettverkslaget rutere Over nettverkslaget gateway Brannmurer Sikkerhetskomponenter Kapittel 9 Teletjenester Teletjenester Infrastruktur for telekommunikasjon Tjenestenett Aksessnett Telefon Modem ISDN ADSL Transportnett Bruk av teletjenester ISDN Kanaltyper Tilknytningsformer Grunntilknytning Utvidet tilknytning Digital Subscriber Lines DSL ADSL ADSL Single-pair High-speed Digital Subscriber Line (SHDSL) Very High Speed Digital Subscriber Line Sammenligning av egenskaper for ulike DSL-teknologier Leide linjer Frame Relay Asynchronous Transfer Mode Hva har vi fått med ATM? X.25-nett Sammenligning av teletjenester Kapittel 10 Tema for videre studier Innledning Nettverksteknologi Virtuelle lokalnett (VLAN) Spanning Tree Protocol (STP) Multiprotocol Label Switching (MPLS)

10 10 Innføring i datakommunikasjon Rutingalgoritmer Link-tilstandsalgoritme Distanse-vektoralgoritme (DV) Multicast Internet Group Management Protocol Multicast-protokoller IP versjon 6 (IPv6) Hva skiller IPv6 og IPv4? Virtuelle private nett (VPN) Bakgrunn Hvorfor VPN? VPN-teknologier Nettverksadministrasjon Hvordan utføre administrasjon? Telnet og SSH Web Simple Network Management Protocol (SNMP) Network Management System (NMS) Mobilitet og flyttbare nettverkstilkoplinger Nettverk for mobiltelefoni Flyttbare tilkoplinger til Internett Sikkerhet Klient Overføring Infrastruktur og tjenere Garantert tjenestekvalitet Ulike nett, ulike tilnærminger Tjenestekvalitet på Internett Multimedia Digitalisering og koding av lyd Digitalisering og koding av video Avspilling og kommunikasjon i sanntid Referanser Vedlegg A Hjelpeprogram A.1 Innledning A.2 Pakkeanalyse Ethereal A.2.1 Installasjon av Ethereal A.2.2 Bruk av Ethereal A.3 Test konnektivitet ping A.4 Spore rute på nettet traceroute, tracert A.5 TCP/IP-oppsett ipconfig og ifconfig A.6 Rutingtabell på PC route og netstat A.7 Aktive sesjoner netstat

11 Innhold 11 A.8 Informasjonssanking whois A.9 Informasjonssanking nslookup og dig A.10 Kopling mellom logiske og fysiske adresser arp A.11 Referanser Vedlegg B Socketprogrammering B.1 Innledning B.2 Programkode for DatakomKlient B.3 Programkode for DatakomTjener B.4 Sammenhengen mellom programkode og pakker på nettet Vedlegg C Detaljer om Ethernet C.1 Innledning C.2 Historisk overblikk over Ethernet C.3 Ethernet rammeformat C.4 Behandling av Ethernet-rammer Stikkord

12

13 Innledning Vår hensikt med denne boka er å gi studenter et tilbud om en norsk lærebok i datakommunikasjon, med eksempler tilpasset norske forhold og de teknologier som faktisk blir brukt i Norge i dag. Vi har lagt vekt på å gi konkrete eksempler som viser virkemåten til de ulike kommunikasjonsløsningene. Dette gjøres blant annet gjennom bruk av den utbredte pakkeanalysatoren Ethereal for å studere innholdet i datapakkene. Målgruppe Læreboka er rettet mot studenter i høyere utdanning, og dekker den grunnleggende innføringen i datakommunikasjon. Boka kan dessuten leses av alle med interesse for fagområdet og som er nysgjerrige på hvordan datakommunikasjon egentlig foregår. Organisering av innholdet Boka er organisert rundt den lagdelte modellen for datakommunikasjon. Først gjennomgås de grunnleggende prinsippene, som hele boka bygger på, i kapittel 2. Deretter har vi valgt å starte gjennomgangen på toppen av den lagdelte kommunikasjonsmodellen, med anvendelser av Internett, i kapittel 3. Utover i boka arbeider vi oss nedover i den lagdelte kommunikasjonsmodellen, inkludert lenkelaget og det fysiske laget i kapittel 6. Kapittel 8 omhandler nettverk i praksis om hvordan vi kommer oss på nett og bruker det nettverksutstyret vi oftest kommer i kontakt med. Vi beskriver aktuelle teletjenester i kapittel 9. En rekke tema i tilknytning til datakommunikasjon er så omfattende at de er egne fagområder i deg selv, for eksempel sikkerhet og multimedia. Vi har omtalt de mest sentrale temaene slik at leseren av boka skal forstå hovedtrekkene i disse, i kapittel 10.

14 14 Innføring i datakommunikasjon Bruk av Ethereal og andre nyttige hjelpeprogram forklares i vedlegg A. Grensesnittet mellom Internett-applikasjoner og datakommunikasjon skjer gjennom en socket, og vi har tatt med et programeksempel i vedlegg B. I vedlegg C tar vi for oss detaljer omkring Ethernet-teknologien for de som har lyst på en fordypning i emnet. Konvensjoner Spesielt viktige deler av teksten er satt i blå rammer. Interessante ekstraopplysninger er markert med en lyspære i venstre kant. Referanser er markert med braketter i teksten og er listet opp alfabetisk i slutten av hvert kapittel. Eksempel på referanse: [URL-Datakom.no]. Betegnelsen byte (B) brukes i betydningen 8 bit, altså det samme som en oktett (octet). Størrelsesbetegnelsene kilobyte (kb), megabyte (MB) og gigabyte (GB) brukes i betydningen 1024 byte, 1024 kilobyte og 1024 megabyte. Bokas forfattere Kapittel 1, 3, 4 og vedlegg B er skrevet av Olav Skundberg. Kapittel 2, 5 og 9 er skrevet av Bjørn Klefstad. Kapittel 6, 7, 8 og vedlegg C er skrevet av Øyvind Hallsteinsen. Kapittel 10 er skrevet av alle tre forfatterne i fellesskap. Vedlegg A er skrevet av Øyvind Hallsteinsen og Bjørn Klefstad i fellesskap. Webressurser I tilknytning til boka er det produsert ulike digitale ressurser som er tilgjengelige på bokas webside: Dette omfatter øvingsoppgaver, flervalgstester og logger for analyse av datapakker. Vi har egne skjermopptak (videosnutter med lyd) som utdyper en del av eksemplene i boka. Det er dessuten egne sider med løsningsforslag og andre hjelpemidler for faglærere som bruker boka i undervisning. Takk Vi takker Nils Ulltveit-Moe ved Høgskolen i Agder og Herman Ranes ved Høgskolen i Sør-Trøndelag for nyttige tilbakemeldinger og kommentarer underveis i prosessen med å skrive boka. Vi takker også Ivar Tormod Berg Ørstavik og Else Lervik for hjelp og kommentarer til utvikling av java-applikasjonen som brukes i boka. Takk til Svend Andreas Horgen for hjelp med produksjonsprosessen.

15 Innledning 15 Anbefalt videre lesning Computer Communications and Networking Technologies Michael A. Gallo and William M. Hancock Brooks/cole ISBN: Computer Networking, 3. utgave James F. Kurose and Keith W. Ross Addison-Wesley ISBN: Computer Networking and the Internet, 5. utgave Fred Halshall Addison-Wesley ISBN: Data And Computer Communications, 7. utgave William Stallings Pearson Prentice Hall ISBN:

16