Kaisu Keskinen 100 % 1-1

Transkriptio

1 Kaisu Keskinen 100 % 1-1

2 Chapter 1 Introduction A note on the use of these ppt slides: We re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They re in PowerPoint form so you see the animations; and can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following: If you use these slides (e.g., in a class) that you mention their source (after all, we d like people to use our book!) If you post any slides on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material. Thanks and enjoy! JFK/KWR Computer Networking: A Top Down Approach th 6 edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012 All material copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Introduction 1-2

3 Kappale 1 Johdanto Huomioi näitä ppt-dioja käyttäessäsi: Nämä diat ovat vapaasti saatavilla kaikille (tiedekunnat, opiskelijat, lukijat). Ne ovat PowerPoint-muodossa, että animaatiot näkyvät. Voit lisätä, muokata ja poistaa dioja (myös tämän) ja sisältöä tarpeidesi mukaan. Olemme luonnollisesti nähneet paljon vaivaa. Vastineeksi diojen käytöstä, pyydämme seuraavaa: Jos käytät dioja (esim. tunnilla) mainitsethan lähteen (luonnollisesti haluaisimme ihmisten käyttävän kirjaamme) Jos käytät dioja verkossa, mainitsethan että ne ovat muokattu meidän dioistamme (tai ehkä jopa ovat samat) lähtöisin, ja mainitset copyrightoikeudestamme materiaaliin. Kiitos ja nautinnollisia lukuhetkiä! JFK/KWR Tietokoneet verkossa: Katsaus ylhäältä alas 6. versio Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley Maaliskuu 2012 All material copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Introduction 1-3

4 Chapter 1: introduction our goal: get feel and terminology more depth, detail later in course approach: use Internet as example overview: what s the Internet? what s a protocol? network edge; hosts, access net, physical media network core: packet/circuit switching, Internet structure performance: loss, delay, throughput security protocol layers, service models history Introduction 1-4

5 Kappale 1: johdanto tavoitteemme: yleiskuva: mikä on Internet? saada yleiskuva ja mikä on protokolla? tutustua verkon rajapinnat; isännät, terminologiaan pääsyverkko fyysinen media syvällisempi ja verkon ydin: paketit/ yksityiskohtaisempi piirikytkennät, Internetin rakenne katsaus suorituskyky: menetykset, viiveet, teho myöhemmin tietoturva lähestymistapa: protokollien kerrokset, Internet palvelumallit esimerkkinä historia Introduction 1-5

6 Chapter 1: roadmap 1.1 what is the Internet? 1.2 network edge end systems, access networks, links 1.3 network core packet switching, circuit switching, network structure 1.4 delay, loss, throughput in networks 1.5 protocol layers, service models 1.6 networks under attack: security 1.7 history Introduction 1-6

7 Kappale 1: sisällys 1.1 mikä on Internet? 1.2 verkon rajapinnat loppujärjestelmät, liityntäverkot, linkit 1.3 verkon ydin pakettikytkennät, piirikytkennät, verkon rakenne 1.4 viveet, menetykset, suoritusteho 1.5 protokollien kerrokset, palvelumallit 1.6 verkon hyökkäyksen kohteena: tietoturva 1.7 historia Introduction 1-7

8 What s the Internet: nuts and bolts view PC server wireless laptop smartphone millions of connected computing devices: hosts = end systems running network apps wireless links wired links router communication links fiber, copper, radio, satellite transmission rate: bandwidth Packet switches: forward packets (chunks of data) routers and switches mobile network global ISP home network regional ISP institutional network Introduction 1-8

9 Internetin: mutterit ja pultit PC palvelin langaton läppäri älypuhelin mobiili verkot miljoonia tietokoneita yhteydessä toisiinsa: isännät = loppujärjestelmät käynnissä verkkosovellukset tietoliikenneyhteydet langattomat kuitu, kupari, radio, linkit satelliitti langalliset siirtonopeus: linkit kaistanleveys reititin globaali ISP kotiver kot organisaati Pakettikytkennät: pakettien edelleenlähetyson verkko (tieto paloina) reitittimet ja kytkimet paikallinen ISP Introduction 1-9

10 Fun internet appliances Web-enabled toaster + weather forecaster IP picture frame Tweet-a-watt: monitor energy use Slingbox: watch, control cable TV remotely Internet refrigerator Internet phones Introduction 1-10

11 Hauskat internet-laitteet Web-pohjainen leivänpaahdin + sääennuste IP kuvakehys Twittaa watti: näyttö energian käytöstä Slingbox: katsele ja ohjaa kaapelitv:tä etänä Internet jääkaappi Internet-puhelimet Introduction 1-11

12 What s the Internet: nuts and bolts view Internet: network of networks mobile network Interconnected ISPs protocols control sending, receiving of msgs e.g., TCP, IP, HTTP, Skype, global ISP Internet standards home network regional ISP RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force institutional network Introduction 1-12

13 Mikä Internet on: mutterit ja pultit Internet: verkkojen verkko mobile network Yhdistyneet palveluntarjoajat protokollat kontrolloi viestien lähetystä ja vastaanottoa esim., TCP, IP, HTTP, Skype, Internet-standardit global ISP home networ k RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force regional ISP institutional network Introduction 1-13

14 What s the Internet: a service view mobile network Infrastructure that provides services to applications: Web, VoIP, , games, e-commerce, social nets, provides programming interface to apps hooks that allow sending and receiving app programs to connect to Internet provides service options, analogous to postal service global ISP home network regional ISP institutional network Introduction 1-14

15 Mikä Internet on: palvelunäkymä Infrastruktuuri, joka tarjoaa palveluja sovelluksille: Web, VoIP, sähköposti, pelit, sähköinen kaupankäynti, sosiaaliset verkot tarjoaa ohjelmoinnin rajapintoja sovelluksille koukkuja, jotka antavat sovellusten lähettämisen ja vastaanottamisen, internetiin yhdistämisen tarjoaa palveluvaihtoehtoja, kuten perinteinen postipalvelu mobile network global ISP home networ k regional ISP institutional network Introduction 1-15

16 What s a protocol? human protocols: what s the time? I have a question introductions specific msgs sent specific actions taken when msgs received, or other events network protocols: machines rather than humans all communication activity in Internet governed by protocols protocols define format, order of msgs sent and received among network entities, and actions taken on msg transmission, receipt Introduction 1-16

17 Mikä on protokolla? ihmisten protokollat: mitä kello on? Minulla on kysymys esittelyt tietyn viestin lähetys tietyn toiminnon tekeminen, kun viesti vastaanotetaan verkkoprotokollat: koneet ihmisten sijaan kaikkea tiedonsiirtoa Internetissä ohjataan protokollilla protokollat määrittelevät viestien muodon, lähetysten ja vastaanottojen järjestyksen verkkoyhteisöissä, ja toiminnot viestiä vastaanotettaessa Introduction 1-17

18 What s a protocol? a human protocol and a computer network protocol: Hi TCP connection request Hi TCP connection response Got the time? Get 2:00 <file> time Q: other human protocols? Introduction 1-18

19 Mikä on protokolla? ihmisten protokolla ja tietoverkkojen protokolla: Hi TCP connection request Hi TCP connection response Got the time? Get 2:00 <file> time Q: mitä muita ihmisten protokollia on? Introduction 1-19

20 Chapter 1: roadmap 1.1 what is the Internet? 1.2 network edge end systems, access networks, links 1.3 network core packet switching, circuit switching, network structure 1.4 delay, loss, throughput in networks 1.5 protocol layers, service models 1.6 networks under attack: security 1.7 history Introduction 1-20

21 Kappale 1: sisällys 1.1 mikä on Internet? 1.2 verkon rajapinnat loppujärjestelmät, liityntäverkot, linkit 1.3 verkon ydin pakettikytkennät, piirikytkennät, verkon rakenne 1.4 viveet, menetykset, suoritusteho 1.5 protokollien kerrokset, palvelumallit 1.6 verkon hyökkäyksen kohteena: tietoturva 1.7 historia Introduction 1-21

22 A closer look at network structure: network edge: mobile network hosts: clients and servers servers often in data centers access networks, physical media: wired, wireless communication links global ISP home network regional ISP network core: interconnected routers network of networks institutional network Introduction 1-22

23 Tarkempi katsaus verkon rakenteeseen: verkon rajapinnat: isännät: asiakkaat ja palvelimet palvelimet usein datakeskuksissa mobile network global ISP home networ k verkkojen käyttö, fyysinen media: langalliset ja langattomat linkit verkon ydin: yhdistyneet reitittimet verkkojen verkko regional ISP institutional network Introduction 1-23

24 Access networks and physical media Q: How to connect end systems to edge router? residential access nets institutional access networks (school, company) mobile access networks keep in mind: bandwidth (bits per second) of access network? shared or dedicated? Introduction 1-24

25 Verkkojen käyttö ja fyysinen media Q: Miten yhdistää loppujärjestelmä rajan reitittimeen? asuinpaikan verkot organisaation verkot (koulu, yritys) mobiiliverkot pidä mielessä: kohdeverkon kaistanleveys (bittiä/sekunti) jaettu vai yksityinen? Introduction 1-25

26 Access net: digital subscriber line (DSL) central office DSL splitter modem voice, data transmitted at different frequencies over dedicated line to central office telephone network DSLAM ISP DSL access multiplexer use existing telephone line to central office DSLAM data over DSL phone line goes to Internet voice over DSL phone line goes to telephone net < 2.5 Mbps upstream transmission rate (typically < 1 Mbps) < 24 Mbps downstream transmission rate (typically < 10 Mbps) Introduction 1-26

27 Käyttöverkko: digital subscriber line (DSL) central office DSL splitter modem voice, data transmitted at different frequencies over dedicated line to central office telephone network DSLAM ISP DSL access multiplexer käyttää olemassaolevia puhelinlinjoja DSLAM-keskustoimistoon datasiirto DSL-puhelinlinjalla menee Internetiin äänen siirto DSL-puhelinlinjalla menee puhelinverkkon < 2.5 Mbps lähtevän liikenteen siirtonopeus (yleensä < 1 Mbps) < 24 Mbps saapuvan liikenteen nopeus (yleensä < 10 Mbps) Introduction 1-27

28 Access net: cable network cable headend cable splitter modem V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O D A T A D A T A C O N T R O L Channels frequency division multiplexing: different channels transmitted in different frequency bands Introduction 1-28

29 Käyttöverkko: kaapeli kaapelivahvistin kaapeli- jakaja modeemi V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O V I D E O D A T A D A T A C O N T R O L Channels taajuusjako: eri kanavat siirretään eri kanavataajuuksilla Introduction 1-29

30 Access net: cable network cable headend cable splitter modem data, TV transmitted at different frequencies over shared cable distribution network CMTS cable modem termination system ISP HFC: hybrid fiber coax asymmetric: up to 30Mbps downstream transmission rate, 2 Mbps upstream transmission rate network of cable, fiber attaches homes to ISP router homes share access network to cable headend unlike DSL, which has dedicated access to central office Introduction 1-30

31 Käyttöverkko: kaapeli cable headend cable splitter modem data, TV transmitted at different frequencies over shared cable distribution network CMTS cable modem termination system ISP HFC: hybrid fiber coax epäsymmetrinen: jopa 30Mbps saapuvan liikenteen nopeus, 2 Mbps lähtevän liikenteen nopeus kaapeliverkosto, kuitu yhdistää kodit ISP reitittimeen kodit jakavat pääsyverkon kaapelivahvistimella toisin kuin DSL, joka ottaa yhteyden keskustoimistoon Introduction 1-31

32 Access net: home network wireless devices to/from headend or central office often combined in single box cable or DSL modem wireless access point (54 Mbps) router, firewall, NAT wired Ethernet (100 Mbps) Introduction 1-32

33 Käyttöverkko: kotiverkko langattomat laitteet usein yksi boksi yhdistää vahvistimesta/ vahvistimeen tai pääkeskukseen kaapeli tai DSL-modeemi langaton sisäänpääsypiste (54 Mbps) reititin, palomuuri, NAT langallinen Ethernet (100 Mbps) Introduction 1-33

34 Enterprise access networks (Ethernet) institutional link to ISP (Internet) institutional router Ethernet switch institutional mail, web servers typically used in companies, universities, etc 10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps transmission rates today, end systems typically connect into Ethernet switch Introduction 1-34

35 Organisaatioverkot (Ethernet) institutional link to ISP (Internet) institutional router Ethernet switch institutional mail, web servers käytetään yleensä yrityksissä, yliopistoissa jne. 10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps siirtonopeuksia nykyään loppujärjestelmät yhdistyvät yleensä Ethernetvaihteeseen Introduction 1-35

36 Wireless access networks shared wireless access network connects end system to router via base station aka access point wireless LANs: within building (100 ft) b/g (WiFi): 11, 54 Mbps transmission rate wide-area wireless access provided by telco (cellular) operator, 10 s km between 1 and 10 Mbps 3G, 4G: LTE to Internet to Internet Introduction 1-36

37 Langattomat verkot jaetut langattomat verkot yhdistyvät loppujärjestelmän reitittimeen via base station aka access point langattomat lähiverkot: rakennuksen kattavia (100 ft) b/g (WiFi): 11, 54 Mbps siirtonopeus laajat verkot: puhelinyhtiöiden tarjoamia, 10 s km säteellä nopeus 1-10 Mbps 3G, 4G: LTE Internetiin Internetiin Introduction 1-37

38 Host: sends packets of data host sending function: takes application message breaks into smaller chunks, known as packets, of length L bits transmits packet into access network at transmission rate R link transmission rate, aka link capacity, aka link bandwidth packet transmission delay = two packets, L bits each 2 1 R: link transmission rate host time needed to transmit L-bit packet into link = L (bits) R (bits/sec) 1-38

39 Isäntä: lähettää dataa paketteina isännän lähetystoiminto: ottaa sovelluksen viestin pilkkoo sen pienempiin paloihin, paketteihin, pituudeltaan L bittiä lähettää paketin verkkoon siirtonopeudella R linkin siirtonopeus, eli linkin kapasiteetti, eli kaistanleveys paketin siirtoviive = kaksi pakettia, molemmat L bittiä 2 1 R: siirtonopeus host aika, mikä tarvitaan siirtämään Lmäärä bittejä paketista linkkiin = L (bittiä) R (bittiä/sekunti) 1-39

40 Fyysinen media bitti: etenee lähetinvastaanottaja parien välillä fyysinen linkki: mitä on twisted pair (TP) lähettäjän ja vastaanottajan two insulated copper välissä wires Category 5: 100 Mbps, 1 ohjattu media: Gpbs Ethernet signaalit etenevät Category 6: 10Gbps kiinteässä mediassa: kupari, kuitu, koaksaalikaapeli ohjaamaton media: signaalit etenevät vapaasti esim. radio Introduction 1-40

41 Physical media: coax, fiber coaxial cable: two concentric copper conductors bidirectional broadband: multiple channels on cable HFC fiber optic cable: glass fiber carrying light pulses, each pulse a bit high-speed operation: high-speed point-to-point transmission (e.g., 10 s-100 s Gpbs transmission rate) low error rate: repeaters spaced far apart immune to electromagnetic noise Introduction 1-41

42 Fyysinen media: koaksaali, kuitu koaksaalikaapeli: kaksi kuparijohdinta kaksisuuntainen laajakaista: useita kanavia kaapelissa HFC optinen kuitu -kaapeli: lasikuitu kuljettaa valoimpulsseja, jokainen pulssi yhden bitin nopea yhteys: supernopea pisteestäpisteeseen lähetys (esim., 10 s-100 s Gpbs siirtonopeudella) matala virheprosentti: toistimet sijoitettu kauas toisistaan immuuni sähkömagneettisille häiriöille Introduction 1-42

43 Physical media: radio signal carried in electromagnetic spectrum no physical wire bidirectional propagation environment effects: reflection obstruction by objects interference radio link types: terrestrial microwave e.g. up to 45 Mbps channels LAN (e.g., WiFi) 11Mbps, 54 Mbps wide-area (e.g., cellular) 3G cellular: ~ few Mbps satellite Kbps to 45Mbps channel (or multiple smaller channels) 270 msec end-end delay geosynchronous versus low altitude Introduction 1-43

44 Fyysinen media: radio signaali kuljetetaan sähkömagneettisilla taajuuksilla ei fyysistä johtoa kaksisuuntainen eteneminen ympäristössä: heijastukset esine-esteet häiriöt radion linkkityypit: maanpäällinen mikroaalto esim. jopa 45 Mbps kanavia LAN (esim. WiFi) 11Mbps, 54 Mbps WAN (esim. puhelinverkot) 3G verkko: ~ muutamia Mbps satelliittit Kbps 45Mbps kanavia (tai useita pienempiä kanavia) 270 msek. viive geosynkrotoitu vs. matalalla korkeudella Introduction 1-44

45 Chapter 1: roadmap 1.1 what is the Internet? 1.2 network edge end systems, access networks, links 1.3 network core packet switching, circuit switching, network structure 1.4 delay, loss, throughput in networks 1.5 protocol layers, service models 1.6 networks under attack: security 1.7 history Introduction 1-45

46 Kappale 1: sisällys 1.1 mikä on Internet? 1.2 verkon rajapinnat loppujärjestelmät, liityntäverkot, linkit 1.3 verkon ydin pakettikytkennät, piirikytkennät, verkon rakenne 1.4 viveet, menetykset, suoritusteho 1.5 protokollien kerrokset, palvelumallit 1.6 verkon hyökkäyksen kohteena: tietoturva 1.7 historia Introduction 1-46

47 The network core mesh of interconnected routers packet-switching: hosts break application-layer messages into packets forward packets from one router to the next, across links on path from source to destination each packet transmitted at full link capacity Introduction 1-47

48 Verkon ydin kytkettyjen reitittimien verkko pakettikytkentä: isäntä hajottaa sovelluskerroksen viestit into paketeiksi välittää paketit yhdeltä reitittimeltä toiselle, linkkien avulla, lähettäjältä vastaanottajalle jokainen paketti lähetetään täydellä linkin kapasiteetilla Introduction 1-48

49 Packet-switching: store-and-forward L bits per packet sour ce R bps takes L/R seconds to transmit (push out) L-bit packet into link at R bps store and forward: entire packet must arrive at router before it can be transmitted on next link end-end delay = 2L/R (assuming zero propagation delay) R bps destinati on one-hop numerical example: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps one-hop transmission delay = 5 sec more on delay shortly Introduction 1-49

50 Pakettikytkentä: varastoi ja välitä L bits per packet source R bps vie L/R sekuntia lähettää (työntää ulos) L-bittinen paketti linkin nopeudella R bps varastoi ja välitä: koko paketin pitää saapua reitittimelle, ennen kuin se välitetään seuraavalle linkille matkan viive = 2L/R (olettaen, että etenemisviive on nolla) R bps destination yhden välin numeerinen esimerkki: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps yhden välin viive = 5 sekuntia lisää viiveestä lyhyesti... Introduction 1-50

51 Packet Switching: queueing delay, loss A C R = 100 Mb/s R = 1.5 Mb/s B queue of packets waiting for output link D E queuing and loss: If arrival rate (in bits) to link exceeds transmission rate of link for a period of time: packets will queue, wait to be transmitted on link packets can be dropped (lost) if memory (buffer) fills up Introduction 1-51

52 Pakettikytkentä: jonotuksen viive, menetys A B C R = 100 Mb/s R = 1.5 Mb/s queue of packets waiting for output link D E jonotus ja menetykset: Jos saapumisnopeus bitteinä ylittää linkin siirtonopeuden tietyllä ajanjaksolla: paketit jonottavat, odottavat siirtoa seuraavaan linkkiin paketit voivat tippua (menetys) jos muisti (puskuri) täyttyy Introduction 1-52

53 Two key network-core functions routing: determines source- forwarding: move packets destination route taken by packets routing algorithms from router s input to appropriate router output routing algorithm local forwarding table header value output link dest address in arriving packet s header Network Layer 4-53

54 Kaksi tärkeää verkon perustoimintoa reititys: määrittelee pakettien reitin lähteestä kohteeseen reititys algoritmit lähetys: siirtää paketteja reitittimeltä sopivalle reitille routing algorithm local forwarding table header output link value dest address in arriving packet s header Network Layer 4-54

55 Alternative core: circuit switching end-end resources allocated to, reserved for call between source & dest: In diagram, each link has four circuits. call gets 2nd circuit in top link and 1st circuit in right link. dedicated resources: no sharing circuit-like (guaranteed) performance circuit segment idle if not used by call (no sharing) Commonly used in traditional telephone networks Introduction 1-55

56 Vaihtoehtoisesti: piirikytkentä resurssit laskettu alusta loppuun, varattu puhelinaika lähteen ja kohteen välillä: Kaaviossa jokaisella linkillä on 4 piiriä. puhelu saa 2. piirin ylemmältä linkiltä, ja 1. piirin oikealta linkiltä. Omat resurssit: ei jaeta piirikaltainen (taattu) suoritus piirin segmentit ovat tyhjillään, jos niitä ei käytetä puheluun (ei jaeta) Käytetään perinteisessä puhelinverkossa Introduction 1-56

57 Circuit switching: FDM versus TDM Example: FDM 4 users frequency time TDM frequency time Introduction 1-57

58 Piirikytkentä: FDM vs. TDM Esim.: FDM 4 käyttäjää taajuus time TDM taajuus time Introduction 1-58

59 Packet switching versus circuit switching packet switching allows more users to use network! 100 kb/s when active active 10% of time.. example: 1 Mb/s link each user: N users 1 Mbps link circuit-switching: 10 users packet switching: with 35 users, probability > 10 active at same time is less than.0004 * Q: how did we get value ? Q: what happens if > 35 users? * Check out the online interactive exercises for more examples Introduction 1-59

60 Pakettikytkentä vs. piirikytkentä pakettikytkentä sallii enemmän käyttäjiä verkolle! 100 kb/s kun aktiivinen aktiivinen 10% ajasta.. esim.: 1 Mb/s linkki jokainen käyttäjä: N users 1 Mbps link piirikytkentä: 10 käyttäjää pakettikytkentä: 35 käyttäjää, todennäköisyys > 10 samaan aikaan aktiivista, vähemmän kuin.0004 * * Katso online-harjoituksistamme lisää esimerkkejä Q: miten saimme arvon ? Q: mitä jos on > 35 käyttäjää? Introduction 1-60

61 Packet switching versus circuit switching is packet switching a slam dunk winner? great for bursty data resource sharing simpler, no call setup excessive congestion possible: packet delay and loss protocols needed for reliable data transfer, congestion control Q: How to provide circuit-like behavior? bandwidth guarantees needed for audio/video apps still an unsolved problem (chapter 7) Q: human analogies of reserved resources (circuit switching) versus on-demand allocation (packet-switching)? Introduction 1-61

62 Pakettikytkentä vs. piirikytkentä onko pakettikytkentä selkeä voittaja? erinomainen isoille, epäsäännöllisille datamäärille resussien jako yksinkertainen, ei tarvitse sopia puhelua liiallinen ruuhkautuminen mahdollista: paketin viive ja menetykset tarvitaan protokollia luotettavaan datasiirtoon, ja ruuhkan hallintaan Q: Miten tuottaa piirityyppistä käytöstä? kaistanleveys takaukset tarvitaan ääni- ja videosovelluksille edelleen ratkaisematon ongelma (kappale 7) Q: ihmisten yhtäläisyydet varattuihin resursseihin nähden (piirikytkentä) vs. kysyttäessä jakamisesta (pakettikytkentä)? Introduction 1-62