TLT-2600 Verkkotekniikan jatkokurssi

Transkriptio

1 TLT-2600 Verkkotekniikan jatkokurssi Jarmo Harju Karri Huhtanen Aleksi Suhonen Heikki Vatiainen Verkkotekniikan jatkokurssi 1

2 Verkkotekniikan jatkokurssi, 4 op Tavoitteet Ymmärrys verkkotekniikoiden keskinäisistä suhteista, Internetin arkkitehtuurista, verkkosuunnittelusta ja IP-verkkojen reitityksestä sekä IPv6:n asemasta. Perustiedot multicastista ja Mobile IP:stä Teoriatietoa sovelletaan käytäntöön laboratorioharjoituksissa Esitiedot TLT-2100 / Tietoliikenneverkkojen perusteet (suoritusmerkintä oltava, muuten tenttiä ei tarkasteta) Suositellaan: Tietoliikenneprotokollat Vaatimukset Luennot Labraharjoitus, joka tehdään kolmessa vaiheessa kevään IV periodilla tentti ( ) Verkkotekniikan jatkokurssi 2

3 Verkkotekniikan jatkokurssi, 4 op Materiaalia kurssikirja: Christian Huitema: Routing in the Internet, 2. painos, Prentice Hall alan toinen klassikko: Radia Perlman: Interconnections, 2. painos, Addison-Wesley yleisteokset Stallings: Data and Computer Communications, Prentice-Hall Kurose, Ross: Computer Networking, Addison Wesley Bertsekas, Gallager: Data Networks, Prentice Hall reititysprotokollista: John T. Moy. OSPF: Anatomy of an Internet Routing Protocol, Addison- Wesley Bassam Halabi: Internet Routing Architectures, 2. painos, Cisco Press luentokalvoja Verkkotekniikan jatkokurssi 3

4 Verkkotekniikat ja Internetin arkkitehtuuri Verkkotekniikan jatkokurssi 4

5 Piirikytkentä vs. pakettikytkentä 1/3 Piirikytkentä osapuolien välille muodostetaan kuvaannollisesti virtapiiri, ns. galvaaninen yhteys, jota pitkin data siirretään reititys ja resurssien varaus ennen datan siirtoa datan mukana ei tarvita minkäänlaista osoitetietoa välttämätön analogisen datan siirrossa digitaalisen datan siirrossa voidaan pieninopeuksisia yhteyksiä kanavoida (multipleksata) suurinopeuksisille yhteyksille tyypillisesti aikajakokanavointia hyväksi käyttäen puskurointia ei käytetä muuten kuin em. kanavoinnin tarpeisiin yhteydellä on koko ajan käytössä vakio tiedonsiirtonopeus Plussaa: pienet viiveet, taattu siirtokaista Miinusta: tekniikka kallista; resurssit varattuna koko yhteyden ajan vaikka liikennettä ei olisikaan; reititys verrattain staattista Verkkotekniikan jatkokurssi 5

6 Piirikytkentä vs. pakettikytkentä 2/3 Pakettikytkentä verkon solmuissa data käsitellään paketteina resurssien tehokkaampi hyödyntäminen: tilastollinen kanavointi kommunikoivilla osapuolilla voi olla käytössä eri tiedonsiirtonopeudet verkkopalvelulle kaksi perusvaihtoehtoa yhteydetön palvelu eli pakettiperustainen reititys (datagrammiverkot, esim. Internet) yhteydellinen palvelu eli virtuaalipiirikytkentäiset verkot, esim. X.25, ATM, MPLS vain digitaaliselle datalle täydelliset osoitteet (yhtydetön palvelu) tai lyhyet yhteysviitteet (yhteydellinen palvelu) tarvitaan joka paketissa Plussaa: resurssit aina hyötykäytössä; halvempi tekniikka; dynaaminen reititys Miinusta: yhteyden viive ja läpäisy (throughput) riippuvat verkon kuormituksesta Verkkotekniikan jatkokurssi 6

7 Piirikytkentä vs. pakettikytkentä 3/3 Piiri- ja pakettikytkennän suhde toisiinsa Pakettikytkentäisen verkon aliverkkoina voi olla piirikytkennällä toteutettuja osia ja usein näin onkin, esim. modeemi/isdn-yhteydet Internetiin, tai SDH:n käyttö datansiirtoon operaattorin runkoverkossa Toisaalta piirikytkentäisen puhelinverkon runkoverkossa voidaan käyttää pakettikytkentäistä VoIP-tekniikkaa Pakettikytkentäisiä ja piirikytkentäisiä aliverkkoja voidaan siis yhdistää toisiinsa tarkoituksenmukaisella tavalla Datagrammipohjainen (siis yhteydetön) pakettikytkentä mahdollisti joustavan ja edullisen tavan yhdistää eri tekniikoilla toteutettuja dataverkkoja => Internet sai alkunsa Verkkotekniikan jatkokurssi 7

8 Internetin arkkitehtuuri Perusnäkökulma Internetin keskeinen suunnitteluperiaate: älykkäät päätelaitteet, yksinkertainen verkko Verkkotekniikan jatkokurssi 8

9 Internetin arkkitehtuuri Verkkotekninen näkökulma Reitittimet eivät yleensä ole toisiinsa kytkettyjä point-to-point -linkeillä vaan siirtoverkkojen avulla MPLS PoS LAN Frame Relay ATM Verkkotekniikan jatkokurssi 9

10 Internetin arkkitehtuuri Verkkohierarkian näkökulma Access Network CORE Internetin verkkohierarkiaan kuuluvat päätelaitteet (host), pääsyverkot eli liityntäverkot (access) ja runkoverkko (core). Verkkotekniikan jatkokurssi 10

11 Internetin arkkitehtuuri Palveluntarjoajanäkökulma Esimerkki Verkkotekniikan jatkokurssi 11

12 Internetin arkkitehtuuri Reitityshierarkian näkökulma Internetin runkoverkko kytkee organisaatioiden ja palveluntarjoajien verkkoja (autonomisia systeemeitä) toisiinsa. Autonomisten systeemien sisällä toimii ns. sisäinen reititys. Myös Internetin runkoverkko on kokoelma toisiinsa kytkettyjä autonomisia systeemejä, jotka tarjoavat kauttakulkupalveluita asiakkailleen. AS:ien tasolla tarvitaan ns. ulkoista reititystä. Transit AS 1 Transit AS 7 AS 6 AS 1 Transit AS 2 Transit AS 4 Transit AS 6 Transit AS 3 Transit AS 5 AS 5 AS 2 AS 3 AS 4 Verkkotekniikan jatkokurssi 12

13 Internetin arkkitehtuuri yhteenveto Toisin kuin televerkossa, Internetin pääsy- ja runkoverkot eivät ole rakentuneet suunnitelmallisesti Runkoverkon hierarkiataso on matala Runkoverkko on kokoelma kansallisten ja kansainvälisten operaattoreiden autonomisia järjestelmiä, jotka tarjoavat kauttakulkuoikeuksia toisilleen Jos runkoverkko ei osaa reitittää jotain pakettia, paketti hylätään (default-free -verkko) Pääsyverkot ovat tyypillisesti teleoperaattoreiden hallinnoimia verkkoja, jotka liittyvät runkoverkkoon yhdellä tai useammalla reitittimellä Verkkotekniikan jatkokurssi 13

14 Verkkotekniikoiden kerrosten erottaminen Verkkoprotokollat: IP (IPX, CLNP) Verkkotekniikat: ATM, MPLS, Frame Relay, Ethernet, X.25 Verkkokerros Siirtokerros Siirtoverkko, kehystys: SDH, HDLC, PPP, Ethernet Fyysinen kerros Multipleksaava siirtokerros: WDM, TDM, FDM, CDM Fyysinen kerros: kupari, kuitu, radiotie Verkkotekniikan jatkokurssi 14

15 Pääsyverkot Kapeakaistainen access PSTN, ISDN GPRS, UMTS Laajakaistainen access dedikoitu yhteys (taattu kaista) xdsl (Fyysinen puhelinlinja + ATM-verkko tai Ethernet), kiinteä linja (kuitu- tai kuparijohtimella) jaettu yhteys Normaali Ethernet Kaapelimodeemi (fyysinen kaapeli-tv-verkko + Ethernet) Langaton yhteys (operaattorin WLAN) Verkkotekniikan jatkokurssi 15

16 Runkoverkot Tasot 1 2: Siirtoverkot fyysisellä tasolla optiset kuidut ja WDM niiden päällä SDH, Ethernet tai jokin muu 2- tai 3-tason tekniikka Taso 3 (over taso 2 over taso 1): Verkkotekniikat ATM tai Frame Relay (over SDH ja/tai over WDM) MPLS (over SDH tai over Ethernet) (IP-) Packet over (PPP over) SDH (IP-) Packet over (jokin kehystys over) WDM IP over Ethernet over (jokin kehystys over) WDM Verkkotekniikan jatkokurssi 16

17 IP:n asema kerrosmallissa IP on verkkokerroksen ylin alikerros, ns. internetworking kerros Sen alla voi olla suoraan linkkikerros tai käytetystä verkkotekniikasta riippuva verkkokerroksen protokolla kuten X.25 tai ATM:n AAL5 Verkkotekniikan jatkokurssi 17

18 Verkkokerros vs. linkkikerros Linkkitason toiminta: kehys siirretään yhden linkin yli yhdelle (point-to-point -linkki) tai useammalle vastaanottajalle (multi-access linkki) Verkkotason toiminta: kehys (jota nyt kutsutaan paketiksi) siirretään (eli reititetään) usean verkon solmun kautta kohteeseensa Linkkitasolla ei siten tarvita reititystä Selkeää, eikö totta? Hetkinen, entä tyypillinen kytkimillä rakennettu lähiverkko!? Katsotaan sitä tarkemmin. Verkkotekniikan jatkokurssi 18

19 Lähiverkko 1 Gbit/s / 100 Mbit/s switches Verkkotekniikan jatkokurssi 19

20 Lähiverkot Laajoissa Ethernet-kytkinverkoissa on sinänsä kaikki tunnusmerkit sille, että kehysten siirtely on verkkokerroksen toimintaa. LANit kuuluvat kuitenkin linkkikerrokselle siksi, että kytkinten (siltojen) toiminta perustuu kakkoskerroksen osoitteisiin (MAC-osoitteisiin), joiden perusteella reititys ei ole mahdollista Miksi ei? Palataan asiaan hieman myöhemmin. Verkkotekniikan jatkokurssi 20

21 Ethernet -kytkimet Välittävät kehyksiä linkkikerroksen tasolla MAC-osoitteita käyttäen Kytkentä: A-to-B ja A -to-b samanaikaisesti, ei törmäyksiä Suuri määrä liityntöjä (interface) Nykyään yksittäiset asemat ovat tyypillisesti tähtimäisesti kytkettyjä kytkimiin (hubeja ei käytetä) Ethernet, mutta yleensä ei törmäyksiä! Broadcast- ja multicast-osoitteilla varustetut kehykset lähetetään kaikkiin liittymiin Verkkotekniikan jatkokurssi 21

22 Lähiverkko Broadcast -domain 1 Gbit/s / 100 Mbit/s switches Collision domain Verkkotekniikan jatkokurssi 22

23 Virtuaali-LANit VLAN-runkolinja eli IEEE802.1Q on käytössä Virtuaali-LANien avulla broadcast-domaineja voidaan jakaa pienemmiksi alueiksi kytkinverkon sisällä 1 Gbit/s / 100 Mbit/s switches VLANien välinen liikenne kulkee reitittimen kautta Verkkotekniikan jatkokurssi 23

24 IP, IP-reititys ja reitittimet Verkkotekniikan jatkokurssi 24

25 Nimet, osoitteet, reitit Nimi identifioi kohteen. Kuka on kyseessä? Osoite kertoo sijainnin. Missä kohde on? Reitti Miten kohteeseen päästään? Esimerkkejä: LAN-osoitteet ovat oikeastaan nimiä MAC-osoite yksilöi laitteen (tai sen verkkokortin) Jos laitteen paikka LANissa vaihtuu, MAC-osoite säilyy samana IP-tason osoitteet ovat aidosti osoitteita kaksitasoinen rakenne: verkkotunnus + koneen tunnus IP-osoitetta on vaihdettava, kun konetta siirretään aliverkosta toiseen TCP/IP-verkkojen ongelma on, että koneilla (sovelluksilla) ei ole selkeästi määriteltyjä nimiä! DNS:n domain-nimet auttavat, mutta eivät ratkaise ongelmaa. Verkkotekniikan jatkokurssi 25

26 IP-osoitteet Jotta asemat ja reitittimet voisivat käsitellä IP-datagrammeja oikein, niiden on pystyttävä erottamaan verkon tunnus ja aseman tunnus IP-osoitteesta käytännössä siis tarvitaan tieto, minkä kahden bitin välissä raja kulkee, eli mikä osuus osoitteesta on verkkotunnusta (network prefix) Alkuperäinen ajatus: sallitaan rajan kulkea vain tavujen välissä, ja koodataan tieto verkkotunnuksen pituudesta osoitteen alkuun! Tämänhetken fakta: raja pitäisi voida vetää joustavasti lähes mihin kohtaan tahansa, eikä tietoa silloin voida sisällyttää osoitteeseen itseensä => Tarvitaan erillinen tieto: aliverkkomaski kertoo verkkotunnuksen pituuden Verkkotekniikan jatkokurssi 26

27 IP-reititys IP-reititys on pakettien kytkentää IP-osoitteen perusteella tavoitteena kuljettaa paketti lähettäjältä vastaanottajalle Ei yhteydenmuodostusta eikä siihen liittyvää signalointia Reititys perustuu siihen, että jokaisen paketin osalta reitittimet itsenäisesti päättelevät (konfiguroinnin kautta ja/tai verkosta saamiensa tietojen perusteella) mikä on paketin seuraava etappi matkalla kohteeseensa Reititys on dynaamista, eli se ottaa automaattisesti huomioon katkenneet yhteydet, uudet verkot, jne. Tähän tarvitaan reititysprotokollia, jotka välittävät saavutettavuustietoa ja mahdollistavat reititystaulujen päivittämisen Verkkotekniikan jatkokurssi 27

28 IP-aliverkko IP-aliverkko (IP subnet) on osoitteiden avulla muodostettu looginen kokonaisuus, joka on sidoksissa fyysiseen topologiaan Samaan IP-aliverkkoon kuuluvat asemat voivat lähettää toisilleen IP-datagrammeja suoraan, ilman reitittimen myötävaikutusta. IP-aliverkko on toteutettu jollain verkkotekniikalla, esimerkiksi lähiverkon avulla (broadcast-verkko) tai (paketti)kytkentäisen verkon avulla. Yhteen LANiin tai pakettikytkentäiseen verkoon voidaan muodostaa useita IP-aliverkkoja. Verkkotekniikan jatkokurssi 28

29 IP-aliverkko Tyypillisesti yksi lähiverkko (broadcast domain) muodostaa yhden IP-aliverkon, mutta joskus voi olla tarkoituksenmukaista sijoittaa lähiverkkoon useita IP-aliverkkoja. Virtuaali-LANien (VLAN) avulla broadcastin etenemistä lähiverkossa voidaan rajoittaa. Luontevaa on sijoittaa eri VLANit eri IP-aliverkkoihin. Reititin tunnistaa aliverkot IP-osoitteen verkkotunnuksen (eli network prefixin) perusteella. Myös asemat tuntevat oman verkkotunnuksensa, ja ohjaavat reitittimelle vain ne lähettämänsä IP-datagrammit, joiden kohde ei kuulu samaan IP-aliverkkoon. Verkkotekniikan jatkokurssi 29

30 Virtuaali-LANit ja IP-aliverkot VLAN-runkolinja eli IEEE802.1Q on käytössä VLANit voivat olla eri IPaliverkkoja. 1 Gbit/s / 100 Mbit/s switches Tällöin on ilman muuta selvää, että VLANien välinen liikenne kulkee reitittimen kautta. Verkkotekniikan jatkokurssi 30

31 Voiko sama VLAN näkyä reitittimen eri porteissa? VLAN-runkolinja eli IEEE802.1Q on käytössä VLANit voivat olla eri IPaliverkkoja 1 Gbit/s / 100 Mbit/s switches Verkkotekniikan jatkokurssi 31

32 Vastaus on EI Reititystoiminto ei tunnista VLANeja Verkkotunnisteen (network prefix) määrittelemä IP-aliverkko pitää löytyä yksikäsitteisesti yhden IP-tasolle näkyvän portin takaa (no, ei tämä nyt aivan ehdoton vaatimus ole Edellisen kalvon kuvassa esittetty tapaus on mahdollinen vain, jos reititin onkin yhteen laatikkoon pakattu yhdistelmälaite, ns. kytkinreititin, joka suostuu kytkemään myös MAC-osoitteiden ja VLAN-tunnuksen perusteella silloin kun kehystä ei ole lähetetty reitittimen MAC-osoitteeseen. Paitsi reitittimen, myös portin käsite on hämärtynyt, kun yhden fyysisen tason portin takaa voi löytyä eri tasoilta useampia loogisia portteja käytetystä verkkotekniikasta riippuen Verkkotekniikan jatkokurssi 32

33 Verkkotekniikan jatkokurssi 33

34 IP-tason ja fyysisen tason topologian vertailu Verkkotekniikan jatkokurssi 34

35 Reititin Reititin on tietokone, joka on yhdistetty kahteen tai useampaan aliverkkoon. Reititin päättää jokaisen sille saapuvan paketin osalta kaksi asiaa: 1) ulosmenoportin eli seuraavan fyysisen aliverkon 2) seuraavan etapin (reititin tai kohdehost) ko. aliverkossa. Reitittimet käyttävät reititystauluja, joihin talletetaan tietoja kohdeverkoista ja niihin johtavista reiteistä Verkkotekniikan jatkokurssi 35

36 Reititin Reitittimen tehtävät voidaan jakaa kahteen osaan: 1. IP-pakettien välitys (forwardointi) IP-protokollan ohjaamana reititystaulusta etsitään sisääntulleelle IP-datagrammille oikea (fyysinen tai looginen) ulosmenoportti, ja portin takana olevan fyysisen verkon ymmärtämä seuraavan etapin osoite 2. Reititystietojen pitäminen ajantasalla Reititystaulut luodaan ja pidetään yllä käymällä jatkuvaa keskustelua muiden reitittimien kanssa. Tähän tarvitaan reititysprotokollia, sillä IP ei ole ollenkaan suunniteltu tähän tarkoitukseen. Verkkotekniikan jatkokurssi 36

37 Router Architecture Overview Two key router functions: run routing algorithms/protocol (RIP, OSPF, BGP) switching datagrams from incoming to outgoing link Verkkotekniikan jatkokurssi 37

38 IP-verkon reititysprotokollat Päätelaitteiden ja reitittimien muodostamaa verkkokonaisuutta, joka on yhden tahon hallinnan ja valvonnan alainen kutsutaan autonomiseksi järjestelmäksi (AS). Autonominen järjestelmä muodostaa oman reititysalueensa Yhden AS:n sisällä olevat reitittimet vaihtavat keskenään reititykseen liittyvää tietoa käyttäen ns. Internal-reititysprotokollia kuten OSPF, RIP tai IGRP. Ennenkuin kaksi AS:ää voi kommunikoida keskenään, pitää niiden vaihtaa reititystietoja - tähän käytetään ns. Externalreititysprotokollia, joista tärkein on BGP4. Verkkotekniikan jatkokurssi 38

39 Reititystauluharjoitus HARJOITUS: Miltä oheisen reititystaulun mukainen verkkoympäristö näyttää? {kukkuu:16} netstat -ain Name Mtu Network Address Ipkts Ierrs Opkts Oerrs Coll ni0* 0 none none ni1* 0 none none lo lan {kukkuu:17} ifconfig lan1 lan1: flags=863<up,broadcast,notrailers,running,multicast> inet netmask fffffc00 broadcast {kukkuu:18} netstat -rn Routing tables Destination Gateway Flags Refs Use Interface UH lo UGHD 0 27 lan UH lo UGHD 0 18 lan UGHD lan1 default UG lan U lan UG lan UG lan UG lan UG lan UG lan1 Verkkotekniikan jatkokurssi 39

40 Graafit Graafi määritellään parina missä G = (N,A), N = solmujen (node) joukko A = kaarien (arc) joukko. Yksinkertaisessa graafissa kahta solmua voi yhdistää vain yksi kaari, eli tällöin kaaret ovat solmupareja {n 1, n 2 }, missä n 1, n 2 N ja n 1 n 2. Solmuja n 1 ja n 2 sanotaan kaaren α = {n 1,n 2 } päätepisteiksi. Multigraafissa solmuparia voi yhdistää useampi kuin yksi kaari, ja myös päätepisteet voivat olla yksi ja sama solmu. Verkkotekniikassa on syytä olettaa graafien olevan multigraafeja. Verkkotekniikan jatkokurssi 40

41 Graafiteorian määritelmiä 1/5 Reitti (walk) graafissa G on jono (n 1, n 2,..., n k ) solmuja siten, että jokainen pari (n 1, n 2 ), (n 2, n 3 ),..., (n k-1, n k ) kuuluu A:han eli on G:n kaari. Jos solmut n 1, n 2,..., n k ovat kaikki eri solmuja, reittiä sanotaan poluksi (path). Reitti (n 1, n 2,..., n k ), jolle pätee: k > 3, n 1 = n k ja reitillä ei ole muita samoja solmuja on silmukka (cycle). Graafi G' = (N', A') on graafin G = (N, A) aligraafi, jos N' N ja A' A. Verkkotekniikan jatkokurssi 41

42 Graafiteorian määritelmiä 2/5 Graafi on yhtenäinen, jos jokaisesta solmusta i N on polku (i = n 1, n 2,..., n k = j) jokaiseen muuhun solmuun j. Yhtenäinen graafi, jossa ei ole silmukoita, on puu. Virittävä puu (spanning tree) on sellainen G:n aligraafi, joka on puu ja sisältää G:n kaikki solmut. Verkkotekniikan jatkokurssi 42

43 Graafiteorian määritelmiä 3/5 G = (N, A) on suunnattu graafi, jos A on järjestettyjen parien joukko, eli kaaret ovat suunnattuja kaaria (n 1, n 2 ), missä n 1 on kaaren alkupiste ja n 2 on kaaren päätepiste. Jokaiseen suunnattuun graafiin liittyy tavallinen graafi G' = (N', A'), jolle N' = N ja {i, j} A' <=> ( (i, j) A (j, i) A ) Suunnatussa graafissa voidaan suunnattu reitti määritellä luonnollisella tavalla. Verkkotekniikan jatkokurssi 43

44 Graafiteorian määritelmiä 4/5 Suunnattu graafi on vahvasti yhtenäinen, jos jokaisesta solmusta i on polku jokaiseen muuhun solmuun m. Oletetaan, että suunnatun graafin G jokaiselle kaarelle (i, j) A on annettu äärellinen painokerroin ( pituus ) d ij. Ääretön pituus siis tulkitaan siten, että kaari (i, j) ei kuulu A:han. G:n suunnatun reitin r = (i, j, k,..., l, m) pituus on d ij + d jk d lm. Lyhimmän polun ongelmassa tavoitteena on löytää pituudeltaan lyhin reitti r kahden annetun solmun välille. Verkkotekniikan jatkokurssi 44

45 Graafiteorian määritelmiä 5/5 Lause. Olkoot i ja m, i m, suunnatun, vahvasti yhtenäisen graafin G kaksi mielivaltaista solmua. Lyhin reitti solmusta i solmuun m on polku, jos ja vain jos kaikkien sellaisten silmukoiden, jotka eivät kulje solmun m kautta, pituus on ei-negatiivinen. Tod. => Jos pituudeltaan negatiivinen silmukka löytyy, voidaan sen avulla lyhentää jokin i:stä m:ään kulkeva polku mielivaltaisen pieneksi ( lähestyy miinus ääretöntä), joten lyhintä reittiä m:ään ei ole olemassa. <= Olkoon r mielivaltainen reitti solmusta i solmuun m. Jos r ei ole polku, siitä voidaan irrottaa silmukoita, kunnes se on polku i:stä m:ään. Koska irrotettujen silmukoiden pituudet ovat suurempia tai yhtäsuuria kuin 0, on saatu polku enintään samanpituinen kuin reitti r. Siten kaikki mahdolliset reitit voidaan modifioida enintään samanpituisiksi poluiksi. Koska graafissa polkuja on äärellinen määrä, ko. poluista voidaan löytää lyhin. Verkkotekniikan jatkokurssi 45