Miten Internet toimii. Tuomas Aura T Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2013

Transkriptio

1 Miten Internet toimii Tuomas Aura T Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2013

2 Luennon sisältö 1. Esimerkki 1: nettiselailu 2. Esimerkki 2: sähköposti 3. Internetin protokollapino 2

3 ESIMERKKI 1: NETTISELAILU 3

4 Asiakas (käyttäjä, työasema ja selainohjelma) Nettiselailu Palvelin (palvelinkone ja -ohjelma) Internet Asiakas-palvelinmalli Nimiavaruus: URL Vaihtoehtoisia malleja: P2P, pub-sub 4

5 Tiedon muoto Tietokoneiden käsittelemä tieto on määrämuotoista Esim. HTML = hypertekstin merkintäkieli Muita: XDR, ASN.1, s-expressions, XML, JSON <!DOCTYPE html PUBLIC '-//W3C//DTD XHTML 1.1//EN' ' <html xmlns=' xml:lang='fi'> <head> <title>esimerkki</title> </head> <body>  <h1>terve maailma!</h1> Sivun esimerkki.html lähdekoodi <p>tämä on erittäin yksinkertainen webbisivu.</p> </body> </html> 5

6 Protokolla Tiedon siirtoon palvelimen ja asiakkaan välillä pitää sopia yhteyskäytäntö eli protokolla: lähetettävät viestit viestien muoto mukaan lukien otsakkeet tilakone: kuka lähettää mitä ja milloin siirtotie Esim. HTTP = hypertekstin siirtoprotokolla Protokollista sovitaan standardointiorganisaatioissa: IETF, W3C, Oasis, ISO, IEEE, 3GPP, ITU, 6

7 Selaimelta palvelimelle: HTTP-protokolla GET /aura/esimerkki.html HTTP/1.1 Host: users.tkk.fi User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows; U; Windows NT 6.1; en-us; rv: ) Gecko/ Firefox/3.5.7 Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8 Tyypillinen Accept-Language: en-us,en;q=0.5 Accept-Encoding: gzip,deflate Accept-Charset: asiakas-palvelin- ISO ,utf-8;q=0.7,*;q=0.7 Keep-Alive: 300 Connection: keep-alive protokollan rakenne: pyyntö ja vastaus Palvelimelta selaimelle: HTTP/1.x 200 OK Date: Sun, 17 Jan :57:12 GMT Server: Apache/2.2.9 (Unix) Last-Modified: Sun, 17 Jan :51:31 GMT Etag: "35ab d5bb227dca9;458ab883a0bc0" Accept-Ranges: bytes Content-Length: 344 Keep-Alive: timeout=15, max=100 Connection: Keep-Alive muoto: Content-Type: text/html Tyypillinen viestin otsakkeet ja data <!DOCTYPE html PUBLIC '-//W3C//DTD XHTML 1.1//EN' ' <html xmlns=' xml:lang='fi'> <head> <title>esimerkki</title> </head> <body>  <h1>terve maailma!</h1> <p>tämä on erittäin yksinkertainen webbisivu.</p> </body> </html> HTTP-pyyntö HTTP-pyynnön otsakkeet HTTP-vastaus HTTP-vastauksen otsakkeet Data (HTML) 7

8 Selaimelta palvelimelle: HTTP GET /aura/esimerkki.html HTTP/1.1 Host: users.tkk.fi User-Agent: GET /aura/esimerkki.html Mozilla/5.0 (Windows; U; Windows NT 6.1; en-us; rv: ) HTTP/1.1 Gecko/ Firefox/3.5.7 Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8 Accept-Language: Host: users.tkk.fi en-us,en;q=0.5 Accept-Encoding: gzip,deflate HTTP-pyynnön Accept-Charset: ISO ,utf-8;q=0.7,*;q=0.7 Keep-Alive: 300 otsakkeet Connection: keep-alive Palvelimelta selaimelle: HTTP/1.x 200 OK Date: Sun, 17 Jan :57:12 GMT Server: Apache/2.2.9 (Unix) Last-Modified: Sun, 17 Jan :51:31 GMT Etag: "35ab d5bb227dca9;458ab883a0bc0" Accept-Ranges: bytes Content-Length: 344 Keep-Alive: timeout=15, max=100 Connection: Keep-Alive Content-Type: text/html <!DOCTYPE html PUBLIC '-//W3C//DTD XHTML 1.1//EN' ' <html xmlns=' xml:lang='fi'> <head> <title>esimerkki</title> </head> <body>  <h1>terve maailma!</h1> <p>tämä on erittäin yksinkertainen webbisivu.</p> </body> </html> HTTP-pyyntö User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows; U; Windo Accept: text/html,application/xhtml+xml,ap Accept-Language: en-us,en;q=0.5 HTTP-vastaus Accept-Encoding: gzip,deflate HTTP-vastauksen Accept-Charset: ISO ,utf-8;q=0.7,*;q otsakkeet Keep-Alive: 300 Connection: keep-alive Data(HTML) 8

9 Selaimelta palvelimelle: HTTP/1.x 200 OK HTTP GET /aura/esimerkki.html HTTP/1.1 Host: users.tkk.fi User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows; U; Windows NT 6.1; en-us; rv: ) Gecko/ Firefox/3.5.7 Accept: Date: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8 Sun, 17 Jan :57:12 GMT Accept-Language: en-us,en;q=0.5 Accept-Encoding: gzip,deflate HTTP-pyynnön Accept-Charset: Server: ISO ,utf-8;q=0.7,*;q=0.7 Apache/2.2.9 (Unix) Keep-Alive: 300 otsakkeet Connection: keep-alive Palvelimelta selaimelle: HTTP/1.x 200 OK Date: Sun, 17 Jan :57:12 GMT Server: Apache/2.2.9 (Unix) Last-Modified: Sun, 17 Jan :51:31 GMT Etag: "35ab d5bb227dca9;458ab883a0bc0" Accept-Ranges: bytes Content-Length: 344 Keep-Alive: timeout=15, max=100 Connection: Keep-Alive Content-Type: text/html HTTP-pyyntö Last-Modified: Sun, 17 Jan :51:31 G Etag: "35ab d5bb227dca9;458ab883a0 HTTP-vastaus Accept-Ranges: bytes Content-Length: 344 HTTP-vastauksen Keep-Alive: timeout=15, max=100 otsakkeet Connection: Keep-Alive <!DOCTYPE html PUBLIC '-//W3C//DTD XHTML 1.1//EN' ' <html Content-Type: xmlns=' text/html xml:lang='fi'> <head> <title>esimerkki</title> </head> <body> Data(HTML)  <!DOCTYPE html PUBLIC '-//W3C//DTD XHTML 1 <h1>terve maailma!</h1> <p>tämä on erittäin yksinkertainen webbisivu.</p> </body> ' </html> 9

10 Selaimelta palvelimelle: HTTP GET /aura/esimerkki.html HTTP/1.1 Host: users.tkk.fi User-Agent: Mozilla/5.0 (Windows; U; Windows NT 6.1; en-us; rv: ) Gecko/ Firefox/3.5.7 Accept: text/html,application/xhtml+xml,application/xml;q=0.9,*/*;q=0.8 Accept-Language: en-us,en;q=0.5 Accept-Encoding: gzip,deflate Accept-Charset: ISO ,utf-8;q=0.7,*;q=0.7 Keep-Alive: 300 Connection: keep-alive Palvelimelta selaimelle: HTTP/1.x 200 OK Date: Sun, 17 Jan :57:12 GMT Server: Apache/2.2.9 (Unix) Last-Modified: Sun, 17 Jan :51:31 GMT Etag: "35ab d5bb227dca9;458ab883a0bc0" Accept-Ranges: bytes Content-Length: 344 Keep-Alive: timeout=15, max=100 Connection: Keep-Alive Content-Type: text/html Kokeile Firefox-laajennuksia: Live HTTP headers / HttpFox <!DOCTYPE html PUBLIC '-//W3C//DTD XHTML 1.1//EN' ' <html xmlns=' xml:lang='fi'> <head> <title>esimerkki</title> </head> <body>  <h1>terve maailma!</h1> <p>tämä on erittäin yksinkertainen webbisivu.</p> </body> </html> HTTP-pyyntö HTTP-pyynnön otsakkeet HTTP-vastaus HTTP-vastauksen otsakkeet Data(HTML) 10

11 Siirtotie Kuinka HTTP-protokollan viestit siirretään asiakkaan ja palvelimen välillä? Vastaus: HTTP käyttää viestien siirtoon TCP-protokollaa Tyypillinen protokollien toimintaperiaate: tiedon siirtoon käytetään toista alemman kerroksen protokollaa 11

12 TCP:n tarjoama palvelu TCP toteuttaa kaksisuuntaisen tavuvirran asiakkaan ja palvelimen välillä Palvelin odottaa yhteyksiä; asiakas avaa yhteyden Kumpikin kirjoittaa ja lukee tavuja virrasta Asiakas GET /aura/esimerkki.html HTTP/1.x 200 OK Internet 80 Palvelin Palvelut on numeroitu: HTTP-palvelinohjelma odottaa yhteyksiä porttinumerossa 80 Telnet-ohjelmalla TCP:tä voi käyttää käsin 12

13 Protokollapino ja rajapinnat Miten TCP siirtää tavuvirran asiakkaan ja palvelimen välillä? Vastaus: TCP jakaa tavuvirran lohkoihin ja lähettää lohkot IP-paketeissa Protokollat muodostavat protokollapinon, jossa kukin käyttää alemman kerroksen palveluja HTTP kayttää TCP:tä, TCP käyttää IP:tä Kerrosten välillä on rajapinta TCP Socket API ohjelmointirajapinta sovelluksia varten 13

14 TCP:n toteutus sekvenssikaavio Asiakas IP-paketteja Palvelin kolmen IP-paketin kättely SYN SYN- ACK ACK data GET /aura/esimerkki.html Aika kaksisuuntainen tavuvirta paloiteltuna IP-pakettehin data data HTTP/1.x 200 OK Internet 14

15 IP:n tarjoama palvelu IP siirtää tietopaketteja kahden Internettiin yhdistetyn koneen (host) välillä Paketin koko yleensä alle 1500 tavua Kullakin koneella on IP-osoite IP-protokollan nimiavaruus, esim Periaate: Jokaisella koneella on oma IPosoite ja mikä tahansa kone maailmassa voi lähettää paketteja mille tahansa koneelle DNS-hakemistopalvelu muuntaa koneen nimen (URL:ssa) palvelimen IP-osoitteeksi Esim. % nslookup users.tkk.fi 15

16 Paketit verkossa Esimerkin paketit (Wireshark): Time Source IP Destination IP Protocol Ports Details TCP > 80 SYN TCP 80 > SYN, ACK TCP > 80 ACK HTTP > 80 GET /aura/esimerkki.html HTTP/ TCP 80 > ACK HTTP 80/ OK (text/html) TCP > 80 ACK TCP 80 > FIN, ACK TCP > 80 ACK TCP > 80 FIN, ACK TCP 80 > ACK 16

17 Asiakaskone löytää lähimmän reitittimen ja saa oman IP-osoitteen (sekä DNS-palvelun IP-osoitteen) automaattisesti DHCP-protokollalla IP-reititys Miten IP siirtää paketit Internetin yli? Reitittimet kuljettavat IP-paketteja vastaanottajan IP-osoitteeseen Internet Kunkin koneen tarvitsee tietää vain oma lähin reititin Reititystaulut- ja protokollat kertovat reitittimille, mihin suuntaan paketti on menossa Kunkin reitittimen tarvitsee tietää vain mille seuraavalle reitittimelle paketti siirretään 17

18 Linkkikerroksen palvelu Miten asiakas- ja palvelinkone siirtävät IPpaketin lähimmälle reitittimelle? Miten reititin siirtää tiedon seuraavalle reitittimelle? Vastaus: linkkikerros (eli siirtoyhteyskerros) toteuttaa IP-pakettiensiirron fyysisen linkin yli Langaton lähiverkko IEEE ADSL Kytketty Ethernet IEEE

19 Linkkikerroksen toteutus Linkkikerros siirtää IP-paketteja fyysisen siirtotien kuten radioyhteyden, kuparikaapelin tai valokuidun yli Kone tai reititin liittyy linkkiin verkkokortilla, jolla on MAC-osoite IP-paketit kapsuloidaan kehyksiin Kehysten bitit koodataan fyysiseksi signaaliksi Linkkikerroksen toteutuksia: Ethernet, WLAN, GPRS DSL, kaapelimodeemi MPLS, ATM 19

20 ESIMERKKI 2: SÄHKÖPOSTI 20

21 Webmail 21

22 Dynaaminen HTML <!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN" "DTD/xhtml1-transitional.dtd">    <html lang="en-us" id="sidebar-frame"><head> <script type="text/javascript" src="/js/horde.js?horde= f7c375fa436013d6ce093"></script> Otteita palvelun webmail.tkk.fi -lähdekoodista <script type="text/javascript" src="/services/javascript.php?horde= f7c375fa436013d6ce093&file=popup.js&app=imp"></ script> <script type="text/javascript" src="/js/httpclient.js?horde= f7c375fa436013d6ce093"></script> <script type="text/javascript" src="/js/hideable.js?horde= f7c375fa436013d6ce093"></script> <title>horde</title> <link href="/themes/graphics/favicon.ico" rel="shortcut ICON" /> <link href="/themes/screen.css" rel="stylesheet" type="text/css" /> <link href="/themes/bluewhite/screen.css" rel="stylesheet" type="text/css" /> </head> <body class="sidebar"> <div id="expandedsidebar" style="overflow:hidden"> <div id="menu" style="overflow:hidden"> <span class="leftfloat" id="themelogo"> </span> <span class="leftfloat" id="logopad"> </span> <div class="clear"> </div> </div> <span id="expandbutton" class="rightfloat"><a href="#" onclick="togglemenuframe(); return false;" title="collapse Sidebar"><img src="/themes/ graphics/hide_panel.png" alt="" title="" /></a></span> <div id="sidebarpanel"> <script type="text/javascript" src="/services/javascript.php?horde= f7c375fa436013d6ce093&file=tree.js&app=horde"></ script> <script type="text/javascript"> n_horde_menu['horde'] = new Array(); n_horde_menu['horde']['label'] = 'Horde'; n_horde_menu['horde']['expanded'] = ''; n_horde_menu['horde']['url'] = '/login.php?horde= f7c375fa436013d6ce093'; n_horde_menu['horde']['icon'] = '/themes/graphics/horde.png'; 22

23 Dynaaminen HTML <!DOCTYPE html PUBLIC "-//W3C//DTD XHTML 1.0 Transitional//EN" "DTD/xhtml1-transitional.dtd">  Otteita palvelun webmail.tkk.fi   -lähdekoodista <html lang="en-us" id="sidebar-frame"><head> <script type="text/javascript" src="/js/horde.js?horde= f7c375fa436013d6ce093"></script> <script type="text/javascript" src="/services/javascript.php?horde= f7c375fa436013d6ce093&file=popup.js&app=imp"></ <script type="text/javascript" src="/js/horde.js...> script> <script type="text/javascript" src="/js/httpclient.js?horde= f7c375fa436013d6ce093"></script> <script type="text/javascript" src="/js/hideable.js?horde= f7c375fa436013d6ce093"></script> <title>horde</title> <link href="/themes/graphics/favicon.ico" rel="shortcut ICON" /> <link href="/themes/screen.css" rel="stylesheet" type="text/css" /> <link href="/themes/bluewhite/screen.css" rel="stylesheet" type="text/css" /> </head> <body class="sidebar"> <div id="expandedsidebar" style="overflow:hidden"> <div id="menu" style="overflow:hidden"> <span class="leftfloat" id="themelogo"> </span> <span class="leftfloat" id="logopad"> </span> <div class="clear"> </div> </div> <span id="expandbutton" class="rightfloat"><a href="#" onclick="togglemenuframe(); return false;" title="collapse Sidebar"><img src="/themes/ graphics/hide_panel.png" alt="" title="" /></a></span> <div id="sidebarpanel"> onclick="togglemenuframe(); return false;" <script type="text/javascript" src="/services/javascript.php?horde= f7c375fa436013d6ce093&file=tree.js&app=horde"></ script> <script type="text/javascript"> n_horde_menu['horde'] = new Array(); var extracolsleft = 0; n_horde_menu['horde']['label'] = 'Horde'; n_horde_menu['horde']['expanded'] var extracolsright = ''; = 0; n_horde_menu['horde']['url'] = '/login.php?horde= f7c375fa436013d6ce093'; n_horde_menu['horde']['icon'] = '/themes/graphics/horde.png'; var n_horde_menu = new Array(); Nykyaikaiset webbisivut ovat interaktiivisia Javascript-ohjelmia, jotka kommunikoivat käyttäjän ja palvelimen kanssa 23

24 From: To: Subject: Internetin sähköposti IMAP/SMTP mail.example.com Matkalla lähettäjältä vastaanottajalle sähköpostia välitetään useilla eri protokollilla useiden eri koneiden ja organisaatioiden välillä Internet SMTP HTTP smtp.hut.fi webmail.tkk.fi

25 From: To: Subject: Internetin sähköposti IMAP/SMTP mail.example.com Internet SMTP HTTP HTTP, IMAP ja SMTP käyttävät kaikki TCP:tä tiedon siirtoon smtp.hut.fi HTTP ja IMAP webmail.tkk.fi voidaan suojata käyttämällä SSL:ää 25

26 Tietoturva Siirrettävän tiedon luottamuksellisuus ja aitous voidaan suojata kryptografisesti HTTPS tarkoittaa, että tieto asiakkaan ja palvelimen välillä on salattu ja todennettu SSL-protokollalla SSL tarjoaa sovelluksille rajapinnan turvalliseen tavuvirran siirtoon SSL käyttää tavuvirran siirtoon TCP:tä 26

27 From: To: Subject: Internetin sähköposti IMAP/SMTP mail.example.com Hakemistopalvelu DNS kertoo palvelimen nimeä vastaavan IP-osoitteen ja vastaanottajan sähköpostiosoitetta vastaavan SMTP-palvelimen nimen DNS-protokolla ei käytä sanomiensa siirtoon TCP:tä vaan UDP:tä HTTP Internet SMTP smtp.hut.fi webmail.tkk.fi

28 From: To: Subject: Internetin sähköposti IMAP/SMTP mail.example.com HTTP Internet SMTP smtp.hut.fi webmail.tkk.fi Internetin palvelut, kuten sähköposti ja web, muodostavat monimutkaisen protokollien ja hajautettujen palvelinten vyyhdin 28

29 INTERNET-PROTOKOLLAPINO 29

30 TCP/IP-protokollapino Sovelluskerros Middleware: HTTP, SSL, XML... Kuljetuskerros: TCP, UDP,... Verkkokerros: IPv4, IPv6 Linkkikerros: Ethernet, MPSL, WLAN, GPRS... Asiakas/palvelinsovellukset ja monenväliset palveluarkkitehtuurit Tiedonsiirto päästä päähän, Internetin yli (end to end) Tiedonsiirto yhden linkin yli 30

31 Nimiavaruudet Sovelluskerros Middleware: HTTP, SSL, XML... Kuljetuskerros: TCP, UDP,... Verkkokerros: IPv4, IPv6 Linkkikerros: Ethernet, MPSL, WLAN, GPRS... Sähköpostiosoite, URL, DNS-nimi, jne. IP-osoite ja porttinumero IP-osoite MAC-osoite 31

32 Viestien muoto Sovelluskerros Middleware: HTTP, SSL, XML... Pyynnöt ja vastaukset Kuljetuskerros: TCP, UDP,... Yhteys Verkkokerros: IPv4, IPv6 Linkkikerros: Ethernet, MPSL, WLAN, GPRS... Paketit Kehykset 32

33 Toteutus ja rajapinnat Sovelluskerros Middleware: HTTP, SSL, XML... Socket API Kuljetuskerros: TCP, UDP,... Verkkokerros: IPv4, IPv6 Linkkikerros: Ethernet, MPSL, WLAN, GPRS... Laiteajurirajapinta Tyypillinen toteutus: Prosesseina käyttäjätilassa, WWW-selaimessa Käyttöjärjestelmän ytimessä Verkkokortin firmware ja rauta 33

34 Tiimalasimalli Sovelluskerros Middleware: HTTP, SSL, XML... Kuljetuskerros:TCP,UDP IPv4, IPv6 Linkkikerros: Ethernet, MPSL, WLAN, GPRS... Socket API Laiteajurirajapinta Alun perin vain yksi verkkokerroksen protokolla ja kaksi kuljetuskerroksen protokollaa Rajapinnat tekevät uusien sovellusten ja linkkityyppien lisäämisen helpoksi 34

35 Kurssin luennot Alustava suunnitelma 1. Aloitus: Miten Internet toimii, Tuomas Aura 2. Web 2.0 ja uudet sovellustekniikat, NN 3. Sovelluskerros: WWW, , socket API, NN 4. Salaustekniikat, SSL, Tuomas Aura 5. Kuljetuskerros, TCP, Matti Siekkinen 6. Verkkokerros, IP, Matti Siekkinen 7. Linkkikerros: Ethernet ja WLAN, Matti Siekkinen 8. Tietoverkkojen turvallisuus, Tuomas Aura 9. Tiedonsiirron perusteet ja optiset verkot, Jouko Kurki 10. Matkapuhelinverkot, Jukka K. Nurminen 11. Tiedonsiirto matkapuhelinverkoissa, Jukka K. Nurminen 12. Tele- ja tietoverkon laskutus, Sakari Luukkainen 13. Liiketoiminta verkkoympäristössä, Sakari Luukkainen 14. TBA 15. Kertaus, Tuomas Aura 35