Tietokoneverkot ja Internet

Transkriptio

1 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 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) in substantially unaltered form, that you mention their source (after all, we d like people to use our book!) If you post any slides in substantially unaltered form 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 All material copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Computer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 3 rd edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July Johdanto (2/2) 1 Tietokoneverkot ja Internet ikä on Internet? Verkon reuna Verkon runko Verkkoon pääsy ja fyysinen media Internetin rakenne ja palveluntarjoajat Viive ja hävikki pakettikytketyissä verkoissa Protokollakerrokset ja palvelumallit Internetin historiaa Johdanto (2/2) 2 1

2 Pääsyverkot ja fyysinen media Q: iten päätelaitteet kytketään reunareitittimeen? kotiverkot organisaatioverkot (koulu, yritys) langattomat verkot Huomioitava: pääsyverkon kaistanleveys? jaettu vai dedikoitu? Johdanto (2/2) 3 Yhteys kotoa: pisteestä-pisteeseen-yhteys modeemi max 56 kbps reitittimelle varaa puhelinlinjan ISDN (Integrated Services Digital Network) 2*64 kbps (+ 16 kbps signalointiin) ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) max 1 bps nousevaan suuntaan (upstream) max 8 bps laskevaan suuntaan (downstream) ADSL2+ : max 24 bps downstream Johdanto (2/2) 4 2

3 Yhteys kotoa: kaapelimodeemi HFC: hybrid fiber coaxial Valokuitu ja koaksaalikaapelit yhdistävät kodit palveluntarjoajan (:n) reitittimeen jaettu yhteys reitittimelle asymmetrinen: max 30 bps downstream, 2 bps upstream Hyödynnetään kaapelitelevision ylimääräistä taajuuskaistaa Johdanto (2/2) 5 Yhteys yrityksestä: lähiverkko (LAN) Yrityksen/yliopiston lähiverkko, area network (LAN) yhdistää päätelaitteet reunareitittimeen Ethernet: jaettu tai dedikoitu linkki 10 bps, 100 bps, Gigabit Ethernet Johdanto (2/2) 6 3

4 Langattomat pääsyverkot Jaettu langaton pääsyverkko yhdistää päätelaitteet reunareitittimeen tukiaseman (access point) kautta WLAN (wireless LAN) standardiperhe WiAX standardiperhe Jokapaikan langaton yhteys puhelinoperaattorilta 2.5G, 3G, GPRS/EDGE/UTS/HSPA/LTE router base station mobile hosts Johdanto (2/2) 7 Kotiverkot Tyypillisen kotiverkon komponentit: ADSL- tai kaapelimodeemi reititin/palomuuri/nat Ethernet langaton tukiasema to/from DSLA ADSL modem router/ firewall Ethernet wireless access point wireless laptops Johdanto (2/2) 8 4

5 Fyysinen media (siirtotie) Bitti: etenee lähettimen ja vastaanottimen välillä Fyysinen linkki: mitä on lähettimen ja vastaanottimen välillä Ohjattu media: signaalit etenevät kiinteässä mediassa: kupari, koaksaali, valokuitu Ohjaamaton media: signaalit etenevät vapaasti: radioaallot Kierretty parikaapeli: kaksi eristettyä kuparijohtoa Category 3: perinteiset puhelinjohdot, 10 bps Ethernet Category 5: 100 bps Ethernet Category 5e: Gigabit Ethernet Category 6: 10 Gigabit Ethernet Johdanto (2/2) 9 Fyysinen media: koaksaali ja kuitu Koaksaalikaapeli: kaksi samankeskistä kuparijohdinta kaksisuuntainen baseband: yksi kanava kaapelissa paksu Ethernet broadband: monta kanavaa kaapelissa kaapelimodeemit Valokuitu: lasikuitu siirtää valopulsseja yksi pulssi on yksi bitti suuri nopeus: pisteestä-pisteeseentiedonsiirto (väh. 10 Gbps) vähän virheitä: toistimet kaukana toisistaan immuuni sähkömagneettisille häiriöille Johdanto (2/2) 10 5

6 Fyysinen media: radioaallot signaali siirtyy sähkömagneettisella säteilyllä ei fyysistä johtoa kaksisuuntainen etenemisympäristö vaikuttaa yhteyden laatuun: heijastumiset esteet häiriöt liikkuminen Radiolinkkejä: maanpäällinen mikroaalto kymmeniä bps WLAN kymmeniä bps matkapuhelimet useita bps satelliitti kymmeniä bps päästä-päähän-viive 270 ms kiertorata? korkeus? Johdanto (2/2) 11 Tietokoneverkot ja Internet ikä on Internet? Verkon reuna Verkon runko Verkkoon pääsy ja fyysinen media Internetin rakenne ja palveluntarjoajat Viive ja hävikki pakettikytketyissä verkoissa Protokollakerrokset ja palvelumallit Internetin historiaa Johdanto (2/2) 12 6

7 Internet-palveluntarjoajat : Internet Service Provider :llä on (yksityisiä) Points of Presence (PoP) -pisteitä, joiden kautta sen asiakkaiden ja muiden :den välille muodostetaan yhteys private peering :t kytkeytyvät myös (julkisiin) Internet Exchange Point (IXP) -pisteisiin public peering Johdanto (2/2) 13 Internetin rakenne: verkkojen verkko karkeasti hierarkkinen keskustassa: Tier-1 -:t (esim. Verizon, AT&T, Sprint), kansallinen/kansainvälinen peittoalue suhtautuvat toisiinsa samanarvoisina Tier-1- palveluntarjoajat ovat yhteydessä toisiinsa (peer) yksityisesti Tier 1 IXP Tier 1 Tier 1 Tier-1-palveluntarjoajat ovat yhteydessä toisiinsa myös julkisten IXPpisteiden kautta Johdanto (2/2) 14 7

8 Internetin rakenne: verkkojen verkko Tier-2 -:t pienempiä (usein alueellisia) :itä ovat yhteydessä yhteen tai useampaan Tier-1-:hen sekä mahdollisesti muihin Tier-2-:hin Tier-2- maksaa Tier-1- :lle yhteydestä muuhun Internetiin Tier-2- on Tier-1-:n asiakas Tier-2 Tier-2 Tier 1 IXP Tier 1 Tier 1 Tier-2 Tier-2 Tier-2-:t ovat yhteydessä toisiinsa sekä yksityisesti että IXP:den kautta Tier-2 Johdanto (2/2) 15 Internetin rakenne: verkkojen verkko Tier-3 -:t ja paikalliset :t last hop ( access ) network (lähimpänä päätelaitteita) Paikalliset ja Tier-3-:t ovat Tier-2- :den asiakkaita Tier 3 Tier-2 Tier 1 Tier-2 IXP Tier 1 Tier-2 Tier 1 Tier-2 Tier-2 Johdanto (2/2) 16 8

9 Internetin rakenne: verkkojen verkko Paketti kulkee useiden verkkojen läpi! Tier 3 Tier-2 Tier-2 Tier 1 IXP Tier 1 Tier-2 Tier 1 Tier-2 Tier-2 Johdanto (2/2) 17 Internet Suomessa FUNET (Finnish University and Research Network) korkeakoulut ovat yhteydessä Internetiin FUNETin kautta FICIX (Finnish Communication and Internet Exchange) suurin IXP Suomessa kolme pistettä: Espoon Otaniemi, Helsingin Pasila, Oulu suurimmat :t yhteydessä Internetiin FICIXin kautta Suurimmilla :llä myös yhteydet ulkomaille (yleensä Ruotsiin) Johdanto (2/2) 18 9

10 Tietokoneverkot ja Internet ikä on Internet? Verkon reuna Verkon runko Verkkoon pääsy ja fyysinen media Internetin rakenne ja palveluntarjoajat Viive ja hävikki pakettikytketyissä verkoissa Protokollakerrokset ja palvelumallit Internetin historiaa Johdanto (2/2) 19 Kuinka hävikkiä ja viivettä syntyy? Paketit jonottavat reitittimien puskureissa pakettien saapumisnopeus linkille ylittää linkin kapasiteetin paketit odottavat vuoroaan jonossa pakettia ollaan lähettämässä (viive) A B paketti jonottaa (viive) tyhjiä (vapaita) puskureita: saapuvat paketit pudotetaan (hävikki) jos ei ole vapaita puskureita Johdanto (2/2) 20 10

11 Viive pakettikytketyissä verkoissa 1. prosessointiviive: tarkastetaan bittivirheet määritetään output-linkki 2. jonotusviive: aika, joka odotetaan output-linkin jonossa riippuu reitittimen ruuhkatilanteesta A transmission propagation B nodal processing queueing Johdanto (2/2) 21 Viive pakettikytketyissä verkoissa 3. lähetysviive: R = linkin kaistanleveys (bps = bittiä sekunnissa) L = paketin pituus (bits) bittien linkille lähetykseen kuluva aika = L/R 4. etenemisviive: d = fyysisen linkin pituus s = etenemisnopeus väliaineessa (~2x10 8 m/s) etenemisviive = d/s A transmission Huom: s ja R ovat hyvin erilaisia suureita! propagation B nodal processing queueing Johdanto (2/2) 22 11

12 Autoseurue-analogia 100 km 100 km 10 auton seurue Autot etenevät 100 km/h Tiemaksupisteellä menee 12 s yhden auton palvelemiseen auto~bitti; seurue~paketti Q: Kuinka kauan kestää ennen kuin koko seurue on jonossa seuraavan tiemaksupisteen luona? Aika, joka menee koko seurueen työntämiseen maksupisteen läpi tielle = 10*12 s = 120 s Aika, joka menee viimeiseltä autolta etenemiseen seuraavalle maksupisteelle = 100km/(100km/h) = 1 h A: 62 minuuttia Johdanto (2/2) 23 Autoseurue-analogia 100 km 100 km 10 auton seurue tiemaksupiste tiemaksupiste tiemaksupiste tiemaksupiste Autot etenevät 1000 km/h Tiemaksupisteellä menee 1 min yhden auton palvelemiseen Q: Saapuuko seuraavalle pisteelle autoja ennen kuin ensimmäinen piste on palvellut kaikki autot? A: Kyllä! 7 min jälkeen ensimmäinen auto on seuraavalla pisteellä ja kolme autoa on vielä edellisellä pisteellä Paketin ensimmäinen bitti voi saapua seuraavalle reitittimelle ennen kuin paketti on lähetetty kokonaan edelliseltä reitittimeltä! Johdanto (2/2) 24 12

13 Solmun viive d nodal d proc d queue d trans d prop d proc = prosessointiviive tyypillisesti muutama mikrosekunti tai vähemmän d queue = jonotusviive riippuu ruuhkatilanteesta d trans = lähetysviive = L/R, merkittävä pienen nopeuden linkeille d prop = etenemisviive muutamasta mikrosekunnista satoihin millisekunteihin Johdanto (2/2) 25 Jonotusviive ja liikenneintensiteetti R = linkin kaistanleveys (bps) L = paketin pituus (bits) a = keskimääräinen paketin saapumisnopeus (pakettia/s) liikenneintensiteetti = La/R La/R ~ 0: pieni keskimääräinen jonotusviive La/R -> 1: viive kasvaa suureksi La/R > 1: saapuu enemmän lähetettävää kuin voidaan palvella, keskimääräinen viive ääretön! Johdanto (2/2) 26 13

14 Internetin viive ja reitit iltä Internetin todellinen viive ja hävikki näyttävät? Traceroute-ohjelma: tarjoaa viiveen mittauksen lähteestä reitittimiin matkalla kohteeseen; kaikille i: lähettää kolme pakettia, jotka saapuvat reitittimelle i matkalla kohteeseen reititin i palauttaa paketit lähettäjälle lähettäjä mittaa lähetyksen ja vastauksen välisen ajan 3 probes 3 probes 3 probes Johdanto (2/2) 27 Internetin viive ja reitit traceroute: ieee.org [ ] kolme viiveen mittausta 1 <1 ms <1 ms <1 ms default-gw-b2.net160.jyu.fi [ ] 2 <1 ms <1 ms <1 ms jyu-agora-ptp1-r1v2.core.jyu.fi [ ] 3 <1 ms <1 ms <1 ms jyu-funet.core.jyu.fi [ ] 4 <1 ms <1 ms <1 ms jyu-a201-jyu1.core.jyu.fi [ ] 5 3 ms 3 ms 2 ms uku0-p3300-jyu3.funet.fi [ ] 6 7 ms 8 ms 8 ms tut0-p2000-uku0.funet.fi [ ] 7 11 ms 11 ms 11 ms helsinki0-p2000-tut0.funet.fi [ ] 8 19 ms 18 ms 17 ms se-tug.nordu.net [ ] 9 18 ms 18 ms 18 ms s-b4-link.telia.net [ ] ms 18 ms 18 ms s-bb2-link.telia.net [ ] ms 26 ms 26 ms kbn-bb2-link.telia.net [ ] ms 118 ms 118 ms nyk-bb2-link.telia.net [ ] ms 119 ms 119 ms nyk-b5-link.telia.net [ ] ms 118 ms 118 ms sprint nyk-b1.telia.net [ ] ms 115 ms 115 ms sl-gw27-nyc-15-0.sprintlink.net [ ] ms 119 ms 119 ms sl-ieee sprintlink.net [ ] ms 121 ms 120 ms ms 117 ms 117 ms anakin-ext.ieee.org [ ] ms 118 ms 121 ms origin. [ ] mannertenvälinen linkki jos *, niin ei vastausta (paketti hävinnyt, reititin ei vastaa) Johdanto (2/2) 28 14

15 Pakettien häviäminen Jonolla (puskurilla) on äärellinen kapasiteetti Kun paketti saapuu täyteen jonoon, paketti pudotetaan (paketti häviää) Hävinnyt paketti voidaan uudelleenlähettää: edellinen solmu uudelleenlähettää lähteenä oleva päätelaite uudelleenlähettää (TCP) ei uudelleenlähetystä (UDP) Johdanto (2/2) 29 Tietokoneverkot ja Internet ikä on Internet? Verkon reuna Verkon runko Verkkoon pääsy ja fyysinen media Internetin rakenne ja palveluntarjoajat Viive ja hävikki pakettikytketyissä verkoissa Protokollakerrokset ja palvelumallit Internetin historiaa Johdanto (2/2) 30 15

16 Protokollakerrokset Verkot ovat monimutkaisia! paljon osia : päätelaitteet reitittimet erilaiset siirtotiet sovellukset protokollat hardware, software Verkon toiminta on helpompi ymmärtää, kun se jaetaan sopiviin kokonaisuuksiin Johdanto (2/2) 31 Esimerkki: lentäminen ticket (purchase) baggage (check) gates (load) runway takeoff airplane routing ticket (complain) baggage (claim) gates (unload) runway landing airplane routing airplane routing sarja yksittäisiä tapahtumia Johdanto (2/2) 32 16

17 Lentäminen kerroksittain ticket (purchase) ticket (complain) ticket baggage (check) baggage (claim baggage gates (load) gates (unload) gate runway (takeoff) runway (land) takeoff/landing airplane routing airplane routing airplane routing airplane routing airplane routing departure airport intermediate air-traffic control centers arrival airport Kerrokset: jokainen kerros toteuttaa jonkun palvelun omilla kerroksen sisäisillä toimillaan ollen riippuvainen alapuolella olevan kerroksen palveluista Johdanto (2/2) 33 iksi kerrosarkkitehtuuri? Kun ollaan tekemisissä monimutkaisten järjestelmien kanssa: selkeä rakenne mahdollistaa järjestelmän osien suhteiden tunnistamisen kerrospohjainen referenssimalli modularisointi helpottaa järjestelmän ylläpitoa ja päivitystä muutos yhden kerroksen toteutuksessa on läpinäkyvä järjestelmän muille osille utta: Voiko kerrosarkkitehtuurista olla jotain haittaa? Johdanto (2/2) 34 17

18 Internetin protokollapino sovellus: tukee verkkosovelluksia FTP, STP, HTTP kuljetus: päästä-päähän-tiedonsiirto TCP, UDP verkko: datagrammien reititys lähteestä kohteeseen IP, reititysprotokollat siirtoyhteys (linkki): tiedonsiirto vierekkäisten verkkoelementtien välillä (linkillä) Ethernet, PPP fyysinen: bitit johdossa application transport network data link physical Johdanto (2/2) 35 message segment datagram frame H t H n H t H l H n H t source application transport network data link physical Kapselointi data link physical H l H n H t H l H n H t switch H t H n H t H l H n H t destination application transport network data link physical H n H t H l H n H t network data link physical H n H t H l H n H t router Johdanto (2/2) 36 18

19 Tietokoneverkot ja Internet ikä on Internet? Verkon reuna Verkon runko Verkkoon pääsy ja fyysinen media Internetin rakenne ja palveluntarjoajat Viive ja hävikki pakettikytketyissä verkoissa Protokollakerrokset ja palvelumallit Internetin historiaa Johdanto (2/2) 37 Internetin historiaa : Pakettikytkennän periaatteet 1961: Kleinrock - jonoteorialla osoitetaan pakettikytkennän tehokkuus 1964: Baran pakettikytkentä sotilaallisissa verkoissa 1967: Advanced Research Projects Agency kehittää ARPAnetiä 1969: ensimmäinen ARPAnet-solmu toiminnassa 1972: ARPAnetiä esitellään julkisuudessa NCP (Network Control Protocol), ensimmäinen päästä-päähän-protokolla ensimmäinen sähköpostiohjelma ARPAnetissä on 15 solmua Johdanto (2/2) 38 19

20 Internetin historiaa : Verkkojen yhdistäminen (internetworking) 1970: ALOHAnet, satelliittiverkko Hawaijilla 1973: etcalfen väitöskirja ehdottaa Ethernetiä 1974: Cerf ja Kahn - arkkitehtuuri verkkojen yhdistämiselle 1970-luvun loppu: yksityisiä arkkitehtuureja: DECnet, SNA, XNA 1970-luvun loppu: vakiopituiset paketit (AT:n edeltäjä) 1979: ARPAnetissä on 200 solmua Cerf ja Kahn: verkkojen yhdistämisen periaatteet minimalismi ja autonomia yhdistäminen ei vaadi sisäisiä muutoksia yhdistettäviin verkkoihin best effort -palvelumalli tilattomat reitittimet hajautettu verkonhallinta määrittelevät nykyisen Internetin arkkitehtuurin Johdanto (2/2) 39 Internetin historiaa : Kaupallistuminen, WWW, uusia sovelluksia 1990-luvun alku: ARPAnet lopettaa toimintansa 1991: NSF poistaa rajoitukset NSFnetin kaupalliselle käytölle (lopettaa toimintansa 1995) 1990-luvun alku: WWW hypertext [Bush 1945, Nelson 1960 s] HTL, HTTP: Berners-Lee 1994: osaic, myöhemmin Netscape 1990-luvun loppu: WWW:n kaupallistuminen 1990-luvun loppu 2000-luku: killer applications: pikaviestimet, tiedostojen jako vertaisverkossa verkon turvallisuus tärkeäksi noin 50 miljoonaa päätelaitetta, yli 100 miljoonaa käyttäjää runkoverkon linkkien nopeudet Gbps Johdanto (2/2) 40 20

21 Johdanto: Yhteenveto Käytiin läpi paljon asioita! Yleiskatsaus Internetiin ikä on protokolla? Verkon reuna, verkon runko, verkkoon pääsy pakettikytkentä vastaan piirikytkentä Internetin rakenne, :t Suorituskyky: hävikki, viive Kerrokset, palvelumallit Historiaa Nyt sinulla on yleisnäkemys tietoverkkoihin Seuraavaksi käsitellään asioita syvällisemmin ja yksityiskohtaisemmin Johdanto (2/2) 41 21