Internet. » Internet = maailman laajuinen tietoverkko (iso I) » IP = Internet Protocol = Internet protokolla (yhteyskäytäntö)

Transkriptio

1 Kurssin perustiedot ELEC-C711 Informaatioteknologian perusteet Kalevi Kilkki Tietoliikenne- ja tietoverkkotekniikan laitos Internet 7.3. & » Kalevi Kilkki: Luennot ja kurssin sisältö Jari Lietzen: Kurssiassistentti, laskuharjoitukset Ohjelma 1. Johdanto ma & ke Tietoliikennealan palvelut ma & ke Tiedonsiirto ma & ke Kommunikaatioakustiikka ma 1.2. & ke 3.2. (V. Pulkki) 5. Puheteknologia ma 8.2. & ke 1.2. (K. Palomäki). Kiinteät verkot ma & ke Matkaviestintä ma & ke Tietojenkäsittely ma & ke Internet ma 7.3. & ke 9.3. Tämän viikon aiheet Internet» Maanantain oppimistavoitteet 1. Internetin historiaa miksi, miten ja mihin 2. Internetin keskeiset rakenneosat, TCP/IP» Keskiviikon oppimistavoitteet 1. Jonoteoriaan eli pakettikytkentäisten verkkojen analyysi ja mitoitus 2. Hieman kertausta Laskuharjoitus 1. Jonoteorian perusteet» Internet = maailman laajuinen tietoverkko (iso I) eli yhdysverkko, joka yhdistää paikallisia verkkoja toisiinsa» Internet teknologiat = teknologiat, joita Internetin toimintaan tarvitaan Yleensä internet-teknologioilla viitataan IETF:n (Internet Engineering Task Force) kehittämiin protokolliin Puhekielessä Internet-sanalla viitataan usein verkkopalveluihin WWW (Web= palvelu)» IP = Internet Protocol = Internet protokolla (yhteyskäytäntö) Internetin alku Varautuminen ydinsotaan Internet?» 195-luvun loppu (USA) Neuvostoliitto laukaisi Sputnikin syksyllä 1957 ARPA (Advanced Research Project Agency) perustettiin 1958» 19-luvun alku Paul Baran (RAND Corp.) esitti pakettikytkentäisyyden periaatteet Samoihin aikoihin muualla: L. Kleinrock (UCLA), J. C. R. Licklider (MIT) ja D. Davis (UK)» Miten datasiirto hoidettiin sitä ennen? Tietokoneiden välillä minimaalista Joitain sotilaallisia sovelluksia (& telex sanaa/min) Suuremmat määrät magneettinauhoilla» Paul Baran: Kyllä (jossain määrin) pakettiverkon taustalla oli ajatus ydinsodan mahdollisuudesta, mutta Baranin ajatukset eivät levinneet kovin nopeasti» ARPANET:n kehittäjät (Taylor, Roberts): Ei ovat ehdottomasti kieltäneet että ydinsotaan varautumisella olisi ollut mitään vaikutusta heihin» Rahoittajat (ARPAn johtajat ja siitä ylöspäin): Kyllä rahoituksen kannalta ydinsotaan varautumisella oli huomattava merkitys ELEC-C ELEC-C

2 Pakettikytkennän vallankumouksellisuus! Internet osa II» Piirikytkentäinen (circuit switching) Tarvittavat resurssit on varattu istunnon ajan riippumatta siitä käytetäänkö yhteyttä vai ei Mahdollistaa yksityiskohtaisen veloituksen, käytön rajoitukset ja kontrollin» Pakettikytkentäinen (packet switching) Tiedon siirto paketeissa, joissa osoitetieto mukana Mahdollistaa Tiedon siirron ilman keskitettyä organisaatiota Yksinkertaisen veloituksen Pääsyn koko verkkoon $ Skaalautuvuus Tehokkuus Joustavuus» 198 (USA): tarjouspyyntö 14 yritykselle dataverkon toteuttamisesta tutkimuslaitosten välillä» Muutosvastarinta mm. AT&T ja IBM ei jättäneet tarjouksia lainkaan Yliopistot Miksi ulkopuolisten pitäisi saada käyttää meidän tietokonetta? Mutta ARPA määräsi koska rahoitti!» 199: ARPANET käynnistyi lokakuussa 199 (4 solmua) Ensimmäinen sanoma LOGIN johti virheilmoitukseen» 1972: ensimmäinen sähköposti» 1974: TCP/IP ELEC-C711 7 ELEC-C711 8 ARPANET 1977 Internetin topologia nykyisin ELEC-C711 9 ELEC-C Internet osa III Internetin käyttäjien osuus» Internet Hosts eli isäntäkoneet 1977: : : % 8 % % Kehittyneet maat Kaikki maat Kehitysmaat 8 4 % 4 2 WWW Mosaic selain 2 % % ELEC-C Huom: alussa käyttäjiä/tietokone oli enemmän ELEC-C

3 Percentage of Individuals using the Internet, 212 Internet osa IV IoT Mutta laitteita on paljon enemmän kuin isäntäkoneita 1? IoT Internet of Things ELEC-C ELEC-C Vaikea kysymys Miljardia laitetta » Mitä riskejä kaikkien mahdollisten laitteiden liittäminen Internetiin aiheuttaa? ELEC-C ELEC-C711 1 Internetin kehitystyö : IETF Internetin taustasta johtuen» IETF: Internet Engineering Task Force» RFC: Request for Comments Tarkoituksellisesti epämääräinen otsikko markkinat päättävät lopulta Vrt. ITU (International Telecommunication Union) 5 vuoden jaksot! David Clark: "We [at IETF] reject kings, presidents and voting. We believe in rough consensus and running code."» Ongelmia/haasteita koska alussa Verkossa kaikkia käsiteltiin kuin tuttuja Verkon koko oletettiin rajalliseksi Viestit oletettiin tärkeiksi ja halutuiksi Oletettiin että kukaan ei tee ilkeyksiä Oletettiin että sisältö on avointa ja laillista Kaikkia mahdollisia sovellutuksia ei osattu arvata» Kun kaikki eivät toimi yhteisen hyvän eteen, järjestelmä murentuu ELEC-C ELEC-C

4 FUNET projektisuunnitelma v Mitä kuvasta voi päätellä? Internetin tulo Suomeen X.25 IP FUNET: Finnish University and Research Network ELEC-C ELEC-C Liittyminen Internetiin Tehtävät» 198: päätös liittymisestä» 1987: ei onnistunut poliittisista syistä (Neuvostoliitto-Suomi) NSF (National Science Foundation, USA) ehdotti yhdyskäytäväratkaisua voidaan kontrolloida paremmin kuin avointa Internet-yhteyttä» 1988: NORDUnet:n avoin Internet-liitäntä 5 kbit/s satelliittiyhteydellä USA:han 4 kbit/s Pohjoismaiden välillä Ensimmäinen kansainvälinen TCP/IP verkko NSF tuki sekä poliittisesti että taloudellisesti» Luentotehtävä tänään Selitä lyhyesti miten TCP/IP protokolla pitää huolta siitä että verkko ei jumiudu täysin silloin kun verkkoon on tarjolla enemmän liikennettä kuin mitä verkossa on kapasiteettia.» Esitehtävä keskiviikoksi Listaa 1 3 asiaa joita mielestäsi pitäisi käsitellä luennolla perusteellisemmin eikä siis jättää tekstimateriaalin ja laskuharjoitusten varaan Ensisijaisesti asioita, joita on käsitelty kurssin tekstimateriaalissa Saatu palaute vaikuttaa ensi vuoden luentojen painotuksiin! ELEC-C ISO:n OSI-malli IP-verkon toiminta» OSI = Open Systems Interconnection Reference Model 198-luvun alussa, tietoliikenneverkkojen toimintojen kuvaamiseen ja jäsentämiseen Kansainvälinen standardi (ISO, ITU) Kuvaa tiedonsiirtoprotokollien yhdistelmän 7 kerroksessa Kukin kerroksista käyttää yhtä alemman kerroksen palveluja ja tarjoaa palveluja yhtä kerrosta ylemmäs.» OSI-verkko ei saavuttanut suosiota koska TCP/IP jyräsi ELEC-C ELEC-C

5 ISOn OSI vs. TCP/IP OSI-malli kertausta Sovellus Esitystapa Istunto Kuljetus Verkko Siirto Sovellus Siirron hallinta Internet Verkkoyhteys ARP DNS, HTTP, FTP, SNMP, POP, SSH, etc. TCP, UDP IP ICMP Ethernet, XDSL, Frame Relay DNS = Domain Name System HTTP = Hypertext Transfer Protocol FTP = File Transfer Protocol SNMP = Simple Network Management Protocol POP = Post Office Protocol SSH = Secure Shell (protocol) TCP = Transfer Control Protocol UDP = User Datagram Protocol ICMP = Internet Control Message Protocol IP = Internet Protocol ARP = Address Resolution Protocol 7. Sovellus Armeijan johtaminen Kuningas Sanoma Tietoisuus Hemmetti, minun pitää näyttää olevani ankara kuningas Kuningas on seonnut, mutta pakko on totella Ymmärrys Tietoisuus. Esitystapa Puhuttu lause Ilmaus (puhe, ele, kirjoitus) 5. Istunto Kuninkaan vastaanotto Armeija hyökätköön aamulla kello Kuninkaan käsky: hyökkäys kello Vastaanotin Käyttöliittymä Havaitseminen Mielen automatiikka Mielen automatiikka Informaation käsittely 4. Kuljetus Kirje käskyketjun läpi Lähetin Kanava Häiriölähde Käyttöliittymä Informaation käsittely Vastaanottajan haku 3. Verkko Optisen lennätinverkon kartta Sovellus TCP IP 2. Siirto Viestien Verkko- käsittely lennätinasemilla yhteys Ethernet 1. Optisen lennättimen ym. taulut OSI TCP/IP (DoD) malli Sotapäällikkö ELEC-C ELEC-C711 2 Rakenneosat IPv4 otsikko Bitit: Versio IHL DS Kokonaispituus Tunnistus Liput Lohkon sijainti Elinaika Protokolla IP-otsikon tarkistussumma Lähettäjän IP-osoite TCP IP Sovellus Kuljetus Verkko Siirtoyhteys Siirtoyhteys Verkko Siirtoyhteys Siirtoyhteys Sovellus Kuljetus Verkko Siirtoyhteys Vastaanottajan IP-osoite Optiot Data Täyte Käyttäjä ja päätelaite Kytkin Reititin Kytkin Palvelin IHL = Internet Header Length, eli otsikon pituus DS = Differentiated Services, tai Type of Service, eli paketin priorisointi Protokolla, esim. = TCP, 17 = UDP, 89 = OSPF ELEC-C ELEC-C IPv-otsikon rakenne Bitit: Versio Liikenneluokka Vuon tunniste Otsikon pituus Seuraava otsikko Hyppyjen määrä Lähettäjän IP-osoite Vastaanottajan IP-osoite IPv4 vs. IPv. IPv4 IPv Address 32 bits (4 bytes) 12:34:5: bits (1 bytes) 1234:578:9abc:def: 1234:578:9abc:def Packet size bytes = 4.3*1 9 required, fragmentation optional bytes = required 3.4*1 38 without fragmentation Packet fragmentation Routers and sending hosts Sending hosts only Packet header Does not identify packet flow for QoS handling Contains Flow Label field that specifies packet flow for QoS handling Includes a checksum Does not include a checksum Includes options up to 4 bytes Extension headers used for optional data Address configuration Manual or via DHCP Stateless address autoconfiguration (SLAAC) IP to MAC resolution broadcast ARP Multicast Neighbor Solicitation Local subnet group management Internet Group Management Protocol (IGMP) Broadcast Yes No Multicast Yes Yes IPSec optional, external required Multicast Listener Discovery (MLD) ELEC-C ELEC-C

6 Mistä osoite? Verkkotunnukset (domain name) URL (Uniform Resource Locator) Miten osoitteet? DHCP Dynamic Host Configuration Protocol Nimipalvelimen Domain Name System, DNS. Haku Juuri. nimipalvelin kilkki com org net fi wikipedia aalto kilkki aalto Rekursio 5 4.org nimipalvelin eng fi elec sci 7.wikipedia.org nimipalvelin ELEC-C ELEC-C TCP:n toimintaperiaate TCP:n säätömekanismi» Oletuksena Best Effort (IP tasolla) Verkko yrittää parhaansa, mutta ilman takuita» TCP pitää huolen siitä että paketit tulevat perille (joskus) oikeassa järjestyksessä» Yhteyden alussa nopeus on alhainen» Nopeutta kasvatetaan eksponentiaalisesti» Jos paketteja hukkuu, tiputetaan nopeutta» Lopputuloksena kohtuullinen määrä pudonneita paketteja Kaista jakautuu suunnilleen tasan pullonkaulun läpi kulkevien yhteyksien kesken Ikkunan koko (= sallittu lähetettävän datan määrä verkkoviiveen aikana) Eksponentiaalinen kasvu Paketin hukkuminen Paketin hukkuminen havaitaan aikavalvonnalla havaitaan ACK:llä* Hidas aloitus 1/2 Ylikuormituksen välttäminen Lineaarinen kasvu *ACK-paketti sisältää viimeisen yhtenäisen sekvenssinumeron, jos numero on sama kuin edellisessä ACK:ssä, niin lähettäjä olettaa että vähintään yksi paketti on hukkunut aika ELEC-C ELEC-C IP pakettien käsittely IP pakettien käsittely - QoS Eriarvoinen käsittely: Miksi?» Sovellusten erilaiset vaatimukset Puhe (videoneuvottelu, interaktiiviset pelit) vs. Data» Erilaiset asiakkaat (enemmän tai vähemmän maksavat) kuluttajat vs. yritykset» Kustannusten optimointi vs. asiakkaiden tyytyväisyys Pieni osa asiakkaista voi kuluttaa valtaosan resursseista» Entä oikeudenmukaisuus? Eriarvoinen käsittely, miksi, miten?» Systemaattisia (haluttuja) eroja Viiveissä ja Pakettien pudottamisen todennäköisyyksissä» Entä saatu kaista tai siirretty datamäärä??? Monimutkainen kysymys TCP:n säätömekanismi vaikuttaa olennaisesti Mutta kaikki liikenne ei käytä TCP:tä ELEC-C ELEC-C711 3

7 Organisaatiotasolla Tason 2 verkko T T Tason 1 verkko Tason 3 verkko P IXP T T Tason 3 verkko Tason 2 verkko Pakettiverkon mitoitus eli jonoteorian perusteita Internetin käyttäjät ELEC-C ELEC-C Suorituskykyanalyysi Vaiheet 1. Tilojen määrittäminen 2. Tilojen välisten siirtymien määrittäminen 3. Tilojen välisten siirtymien intensiteetit 4. Yhtälöt perustuen lokaaleihin tasapainoihin 5. Todennäköisyyksien ratkaiseminen. Johtopäätösten teko Liikenneteoria vs. jonoteoria 1 i-1 i i+1 S-1 S i (i+1) S S-1 S S+1 1 S+ N-1 2 (S-1) S S S S S S+N ELEC-C ELEC-C711 4 Esimerkki Oletukset 2 palvelupaikkaa 3 odotuspaikkaa (yhteisiä molemmille) Vaiheet 1. Tilojen määrittäminen 2. Tilojen välisten siirtymien määrittäminen 3. Tilojen välisten siirtymien intensiteetit 4. Yhtälöt perustuen lokaaleihin tasapainoihin 5. Todennäköisyyksien ratkaiseminen. Johtopäätösten teko Palveluaika = 4 minuuttia (eksponentiaalisesti jakautunut) Asiakkaita tulee keskimäärin 1 minuutissa Kysymys Mikä on keskimääräinen odotusaika niillä, jotka jäävät joko suoraan palveltavaksi tai jäävät odottamaan? Tulokset M/M/S/N Erlang kun N = odotusaika palvelu- osuus per min sek. aika (s) Pääsee heti palveltavaksi Asiakkaita tulee y per tunti a 4, %,4 24 Palveluaika h 4 min b Jää odottamaan 44,8 %,448 4, Palvelupaikat S 2 c Ei jää odottamaan 51,2 %,512 Jonoon mahtuu N 3 Palveltavaksi tai a+b jonoon 48,8 %,488 4, Tarjottu liikenne A 4 Erl Ei pääse heti b+c palveltavaksi 9, %,9 2, a+b+c Kaikki 1, % 1, 2, (S) (N) Pääsee Jää Ei jää Palveltavana i+j i j Pr(i, j) heti odottama odottam Jonossa 125 1,4,448,512 1,952 2,17 1,8, ,32,32, ,4,4, ,128,128,25, ,25,25,512, ,512,512 1,24 1,53 ELEC-C ELEC-C

8 Kun odotuspaikkoja = 1 Odotusaika kuormituksen funktiona M/M/S/N Erlang kun N = odotusaika palvelu- osuus per min sek. aika (s) Pääsee heti palveltavaksi Asiakkaita tulee y per tunti a,3 %,3 24 Palveluaika h 4 min b Jää odottamaan 49,9 %,499 18, Palvelupaikat S 2 c Ei jää odottamaan 5,1 %,51 Jonoon mahtuu N 1 Palveltavaksi tai a+b jonoon 49,99 %, , Tarjottu liikenne A 4 Erl Ei pääse heti b+c palveltavaksi 99,97 %,9997 9, a+b+c Kaikki 1, % 1, 9, (S) (N) Pääsee Jää Ei jää Palveltavana i+j i j Pr(i, j) heti odottama odottam Jonossa ,352,4993,59 1,9993 9,22 1,1,15E ,2,2442, ,5,488, ,1,977,195, ,2,1953,391, ,39,397,781, ,78,7814,153, ,15,1528,312, ,313,3125,251, ,25,2511,1252, ,125,12523,255 1, ELEC-C711,25,254,59 2, , ,59 1,18 5,92 Odotusaika (min) = A/S = kuormitus S = 1 S = 3 S = 1 ELEC-C Iso vai pieni puskuri? Jonon pituus (tavuja) h w (min) S = 3 h = 1 min 4% B c 3% Simuloitu jono N = N = 3 N = 1 N = % 1% N = N = 3 N = 1 N = ms Pakettien koko (tavuja) % A 2.5 (Erl) 3 ELEC-C ms ELEC-C711 4 Jonosimulointeja ( =.8) Tentti » 4 tehtävää á 1 sivu valmiiksi viivoitettu Ehkä: 2 laskua & 2 esseetä Tentit 4.4. & Muistakaa ilmoittautua ajoissa! Laskuharjoitustehtävien mallivastaukset huomenna (11.3.) ELEC-C ELEC-C

9 Teoriat ja niihin liittyvät asiat Teoria - minimivaatimuksia Hintajousto Desibelit: miten lasketaan yhteen Erlang & yksinkertainen jono Verkon saatavuus (luotettavuus) Shannon + kommunikaatioakustiikka, puheteknologia Hintajousto kaavoina ln K = a e ln h + h Kysyntä 5 min/päivä 4 e =.75, h = e =.75, h = Hinta -9% Kysyntä +1 %, tulot -8% Hinta /min ELEC-C ELEC-C711 5 Mitä tästä seuraa? Desibeli» Monopolin hinnoittelu Mitä korkeampi sen parempi (myyjälle ei asiakkaalle eikä yhteiskunnalle)» Toisaalta Monet telepalvelut ovat luontaisesti monopoleja Miksi?» Joten. Käytännössä: Jos täysi vapaus yksityinen erittäin tuottoisa monopoli» Logaritminen asteikko Kuvaa suureiden suhteita Yksikkö = beli (Bell in mukaan)» Yleensä desibeli, eli kymmenesosa belistä P 1 P 2 [db] = 1 log 1 P 1 P 2» Tehoa kuvataan usein suhteessa milliwattiin P [dbm] = 1 log 1 [db] P 1 mw ELEC-C ELEC-C Miten desibeleillä lasketaan! Shannonin lause» Desibeli ilmaisee tehojen suhteen logaritmisella asteikolla Jos tehojen suhde on 1:1, desibeleinä suhde on 1log 1 (1) = 2 db» Tehovahvistukset ja -vaimennukset voidaan laskea suoraan desibeleinä yhteen kun ne ovat sarjassa Jos vahvistin A vahvistaa +25 db ja vahvistin B vahvistaa +15 db ja siirtokanava vaimentaa 3 db, lopputulos = = +1 db» dbm on teho suhteessa milliwattiin desibeliasteikolla dbm arvoja ei saa laskea suoraan yhteen desibeliasteikolla, vaan ne täytyy muuntaa ensin lineaariselle asteikolle ja sitten laskea yhteen Jos tenttivastauksessa 3 dbm + 4 dbm = 7 dbm, tehtävästä saa p» Jos kaavassa teho watteina, niin älä käytä desibelejä Shannonin kaava 3.3 tai radiotien kaavassa 5.2 olkaa tarkkana!» Informaatioteorian yläraja tietoliikenteelle C = B log S N B = kaistanleveys S = vastaanotetun signaalin teho N = kohinateho» Esim. puhelinverkosta C = 31 log 2 11 = 41 bit/s [bit/s]» Vain ideaalisessa tapauksessa Käytännössä muutama db hukkuu epäideaalisuuksiin ELEC-C ELEC-C

10 Verkkolaskelma Mitä verkkolaskelmista seuraa?» Kustannus = jänne (tai kaapelikilometri)» Hyötylaskelma (tai epäluotettavuuden kustannuslaskelma) Yhden jänteen (i) saatavuus = todennäköisyys että yhteys jänteen yli toimii = A i Reitti jolla on N kappaleita (riippumattomia) jänteitä peräkkäin A N = i=1 N A i ( = tulo) Yhteysväli jolla on M kappaletta vaihtoehtoisia, toisistaan riippumattomia reittejä (j) A M = 1 j=1 M 1 A j» Korkeaan saatavuuteen päästään käytännössä vain vaihtoehtoisilla reiteillä Vaihdon täytyy tietysti toimia luotettavasti» Samoja laskentaperiaatteita voidaan soveltaa myös muissa luotettavuuslaskelmissa A j = reitin j saatavuus ELEC-C ELEC-C711 5 Poisson-liikenne, esto- ja jonojärjestelmä Mitä Erlang- ja jonomalleista seuraa? 1 i-1 i i+1 S-1 S i (i+1) S P i 1 = iμp i S-1 S S+1 1 S+ N-1 2 (S-1) S S S S S S+N» Käytännössä satunnaisesti vaihtelevaa tarvetta palvelevaa järjestelmää ei voi kuormittaa 1 %:sti» Estojärjestelmä Pienissä järjestelmissä < 5 %, suurissa ehkä jopa 8 %» Jonojärjestelmä Ideaalitapauksessa ehkä 8 %» Korkea kuormitus (> 7 %) on aina riski, koska pienikin kuormituksen nousu kasvattaa estoja tai odotusaikoja olennaisesti ELEC-C ELEC-C Muita keskeisiä asioita Informaatio, data ja datan määrä (esim. TB) Suomen telealan erikoispiirteet Viestintäjärjestelmien peruskomponentit A/D muunnos: periaate ja vääristymät Modulointi ja kanavointi Piirikytkentäisyys ja pakettikytkentäisyys Verkkotopologiat Mobiiliverkkojen sukupolvet ja niiden erot Solukkoverkon toimintaperiaate Taajuusalueet ja niiden perusominaisuudet Mooren laki ja sen seuraukset Tietokoneen rakenne ja toimintaperiaate Boolen algebra ja loogiset portit Miksi Internet on sellainen kuin se on? TCP/IP Tentit 4.4. & Muistakaa ilmoittautua ajoissa! Kiitoksia! ELEC-C