811338A 1. Oulun yliopisto Tietojenkäsittelytieteiden laitos 2014 / 2015
Tietoverkot Luento pohjautuu kirjan James F. Kurose, Keith W. Ross, Computer Networking, A Top-Down Approach, 6th (International) ed., Pearson Education Limited, 2013, ISBN 10: 0-273-76896-4, ISBN 13: 978-0- 273-76896-4 ensimmäiseen lukuun. 2
Aluksi Internet on suurin ihmiskunnan koskaan luoma teknillinen järjestelmä, jossa on satoja miljoonia tietokoneita, kommunikointilinjoja ja kytkimiä sekä miljardeja ihmisiä, jotka kommunikoivat kannettavien, tablettien ja älypuhelimienavulla onko olemassa ohjaavia periaatteita ja rakennetta, joiden avulla Internetin toimintaa voi ymmärtää? vastaus: kyllä on! kurssin ensimäisessä kalvosarjassa luodaan laaja yleiskatsaus tietoverkkotoimintaan (computer networking) ja Internetiin 3
Mitä käsitellään? 1. Internetin rakenne ja toiminta laitenäkökulma palvelunäkökulma 2. Tietoverkon reuna-alue pääsyverkot fyysinen media 3. Tietoverkon ydin pakettivälitys piirivälitys 4. Viive ja hävikki pakettiverkoissa viivetyypit jonotusviive ja pakettihävikki päästä-päähän viive tietoverkon suoritusteho (eli siirtomäärä) 4
Mitä käsitellään? (2) 5. Tietoverkon ja protokollapinot ja viitemallit kerroksittainen arkkitehtuuri datan kapselointi 5
1. Internetin rakenne ja toiminta Julkinen Internet toimii tällä kurssilla apuvälineenä, kun tietoverkkoja tarkastellaan. Kaksi näkökulmaa Internetiin ne laite- ja ohjelmistokomponentit, jotka muodostavat Internetin hajautetuille sovelluksille palveluja tuottava infrastruktuuri 6
Laitteet ja ohjelmistot isäntäkoneet eli päätelaitteet pc:t, Unix-työasemat, serverit, PDA:t, televisiot, mobiililaitteet, kännykät, webbikamerat, autot, ympäristöä havainnoivat laitteet, kodinkoneet, turvajärjestelmät kommunikointikanavat siirtävät tietoa isäntäkoneiden välillä koaksiaalikaapeli, kuparijohto, optinen kuitukaapeli, radioaallot, infrapuna, laser kanavilla ja materiaaleilla eri välitysaste eli kaistanleveys; digitaalisessa tiedonsiirrossa kaistanleveys ilmaistaan bitteinä sekunnissa, analogisessa tiedonsiirrossa hertseinä reitittimet yhdistävät päätelaitteita vastaanottavat tietopaketteja ja lähettävät niitä edelleen (Internet on pakettivälitteinen tietoverkko) 7
Osa Internetistä 8
Laitteet ja ohjelmistot (2) ISP:t (Internet Service Provider) huolehtivat päätelaitteiden pääsystä Internetiin kerrosrakenne: ylemmissä kerroksissa välitysnopeus suurempi kuin alemmissa protokollat säännöt, joiden mukaan tietoa välitetään Internetin perusprotokollat: TCP/IP intranetit yksityisiä verkkoja, jotka käyttävät TCP/IP protokollaa Internet-standardit julkaistaan RFC-dokumenteissa (http://www.ietf.org/rfc.html) 9
Internet palvelujen tuottajana isäntäkoneille toimivat sovellukset kommunikoivat keskenään etäyhteys, e-mail, pikaviestintä, web-surffaus, audio- ja videosovellukset, pelit, tiedostonsiirto, Facebook, Twitter yhteyspohjainen luotettava tiedonsiirto, yhteydetön epäluotettava tiedonsiirto ei takuita datan perilletoimittamisajasta; pääsyä Internetiin voi nopeuttaa, palvelua Internetin sisällä periaatteessa ei (edes maksamalla enemmän) Verkkoprotokolla määrittää ne säännöt (esim. viestien formaatin ja järjestyksen, suoritettavat toiminnot jne.), joita kommunikoivien osapuolien tulee nousattaa lähettäessään ja vastaanottaessaan viestejä 10
Protokollaesimerkkejä 11
2. Tietoverkon reuna-alue päätelaitteet verkon reunalla: työasematietokoneet (esim. pc, Mac, Linux), serverit (esim. web- ja sähköpostiserverit), mobiililaitteet (kannettavat, PDA:t, kännykät) päätelaitteet isäntäkoneita, niillä ajetaan sovellusohjelmia (esim. web, e-mail) isäntäkoneet asiakkaita ja palvelimia 12
Päätelaitteiden kommunikointi 13
Asiakas- ja palvelinohjelmat Internet-sovellukset usein hajautettuja: asiakas- ja palvelinohjelmat eri isäntäkoneilla asiakasohjelma ajetaan päätelaitteella, se pyytää ja saa palveluja palvelinohjelmalta, kyseessä on asiakas-palvelin malli toinen malli: P2P (peer-to-peer) päätelaitteiden sovellukset kommunikoivat toistensa kanssa Internetin yli käyttävät (Internetin järjestämää) yhteyspohjaista tai yhteydetöntä tiedonsiirtopalvelua (tasavertaisessa) kommunikointitilanteessa yhteyden aloittava sovellus asiakas ja yhteyspyyntöön vastaava sovellus palvelin 14
Verkkoyhteydet asuntoyhteydet Pääsyverkot ja fyysinen media puhelinyhteys modeemin avulla (56 Kbps) ISDN (112 Kbps) xdsl (Digital Subscriber Line, DSL) alavirta 384 Kbps 1.5 Mbps, ylävirta 128 Kbps 256 Kbps vaatii modeemin, käyttää FDM:ää DSL-tyyppejä: HDSL (High-bit-rate DSL), SDSL (Single-line DSL), ADSL (Asymmetric DSL), VDSL (Very-high-bit-rate DSL), RADSL (Rare-adaptive DSL) aina päällä kaapeliyhteys Internetiin (Hybrid Fiber Coaxial, HFC) yleinen nykyään Suomessa, aloitettiin USA:ssa vaatii modeemin 15
Pääsyverkot kaapeliyhteys Internetiin (jatkuu...) käyttää kaapelitelevisioverkkoa radiovälitys aina päällä ylä- ja alavirtakanavat, nopeudet verrattavissa xdsl:lään (jos paljon käyttäjiä, nopeudet pienenevät) FTTH (Fiber To The Home) valokuitu suoraan paikallisesta telekeskuksesta kotiin yritysyhteydet (myös kotiyhteydet): Ethernet ja WiFi tavallisesti lähiverkko (LAN) yhdistää käyttäjän ISP:hen Ethernet yleinen tekniikka, radiovälitys nopeus usein 10 100 Mbps, jopa 1 Gbps 10 Gbps WiFi: Wireless Fidelity, IEEE802.11 b langaton verkkotoiminta 16
langattomat yhteydet Pääsyverkot (2) WiFi eli WLAN (Wireless Local Area Network) käyttäjät langattomasti yhteydessä perusasemaan (base station), joka on yhteydessä Internetiin käyttösäde muutamia kymmeniä metrejä IEEE 802.11b-teknologia Wide Area Wireless Access Networks käyttösäde kymmeniä kilometrejä perusasema jonkin tietoliikenneyrityksen hoidossa matkapuhelintekniikat (GSM, GPRS) 3G: nopeus yli 1 Mbps 4G : nopeus jopa 10 Mbps 17
Pääsyverkot 18
Suomessa ja USA:ssa yleinen pääsyverkko: kaapeliyhteys Internetiin (HFC) 19
Kotitietoverkko 20
Fyysinen media Fyysinen media suojaamaton kierretty parikaapeli (Unshielded Twisted Pair, UTP) materiaalina kupari taloudellinen, helppo asentaa, altis kohinalle suojattu kierretty parikaapeli (Shielded Twisted Pair, STP) materiaalina kupari kalliimpi kuin UTP, vaikeampi asentaa, paremmin suojattu koaksiaalikaapeli materiaalina kupari tukee pitempiä etäisyyksiä kuin parikaapelit, vaikeampi asentaa kuin parikaapelit, kalliimpi 21
Fyysinen media (2) optinen kuitukaapeli (valokaapeli) tukee nopeaa välitystä, kallis, ei altis häiriöille, vaikea salakuunnella, pitkille etäisyyksille sopiva, käytetään Internetiin runkorakenteessa maanpääliset radiokanavat ei fyysistä kaapelia, materiaaleja läpäisevä, pitkille etäisyyksille sopiva, kuunneltavissa paikallis- ja etäradiokanavat satelliittiradiokanavat paikallaan pysyvät satelliitit: etäis. 36 000 km (geostationary satellites) matalalla liikkuvat satelliitit: etäis. > 100 km (low-earth orbiting satellites, LEO) 22
3. Tietoverkon ydin kaksi tapaa siirtää dataa: piirikytkentä ja pakettikytkentä piirikytkennässä välitysresurssit varataan verkossa yhteyden ajaksi päätelaitteiden käyttöön; datansiirrolle voidaan taata onnistuinen, jopa vakionopeus ja aika esim. piirikytkennästä: puhelinverkko pakettikytkennässä välitysresursseja ei varata etukäteen; datansiirrolle ei voida taata vakionopeutta, -aikaa eikä edes onnistumista Internet on pakettikytkentäverkko, jossa resursseja käytetään tarpeen mukaan; se välittää dataa parhaimman yrityksen periaatetta noudattaen 23
Tietoverkon ydin 24
Pakettikytkentä verkkosovelluksissa päätelaitteet vaihtavat viestejä keskenään; viestit sisältävät sovellusten tarvitsemaa dataa viestit pilkotaan lähdekoneessa paketeiksi, jotka kuljetetaan lähteestä kohteeseen kommunikaatiokanavien ja pakettikytkinten (reitittimet, kytkimet) kautta paketin kulkema reitti muodostaa polun, jossa kommunikaatiokanavat ovat välejä (eli linkkejä) ja pakettikytkimet solmuja linkin välitysaste ilmoitetaan bitteinä sekunnissa (bps, bits per second) jos paketin koko on L bittiä ja linkin välitysaste R bps, paketin välittäminen (linkkiin) kestää L / R sekuntia 25
Pakettikytkentä (2) vrt. fysiikan kaava matka = aika nopeus (s = t v) tällöin matka on lähetettävän datan pituus bitteinä (esim. paketin pituus L), aika on lähetettävän datan välitysaika ja nopeus on linkin välitysaste (esim. R bps) jos em. kaavassa tunnetaan kaksi tekijää, voidaan kolmas aina ratkkaista kahden muun avulla useimmat pakettikytkimet käyttävät ns. varastoi ja välitätekniikkaa: kytkin voi lähettää paketin edelleen vasta kun se on kokonaan vastaanotettu oletetaan, että lähde lähettää kohteeseen kolme pakettia (kukin L bittiä) yhden reitittimen kautta (ja kahden linkin yli, molempien linkkien välitysaste R bps 26
Varastoi ja välitä pakettikytkentä R bps R bps lähde pakettikytkin kohde Pakettikytkin vastaanottaa paketin kokonaan ennenkuin lähettää sen edelleen. 27
Pakettikytkentä (3) käytetään varastoi ja välitä tekniikkaa; oletetaan muut viiveet (käsittely-, jonotus- ja etenemisviive) nolliksi kun aikaa on kulunut L / R sekuntia, on 1. paketti saapunut kokonaan reitittimeen ja se voi aloittaa paketin lähettämisen kohteeseen; 2. paketin välittäminen lähteessä alkaa 2(L / R ) sekuntia, on 1. paketti saapunut kokonaan kohteeseen ja 2. paketti reitittimeen; 3. pakettia aletaan lähteessä välittää 3(L / R ) sekuntia, ovat kaksi ensimmäistä pakettia saapuneet kohteeseen ja 3. paketti reitittimeen 4(L / R ) sekuntia, ovat kaikki kolme pakettia saaapuneet kohteeseen tehtävä: yleistä k:lle paketille ja (n -1):lle reitittimelle 28
Pakettikytkentä (4) yhteen pakettikytkimeen on yleensä liitetty useita linkkejä; kutakin linkkiä kohden kytkimessä on tulostuspuskuri mikäli linkki on kuormitettu, syntyy jonotusviiveitä tulostuspuskurien koko rajallinen, voi syntyä pakettihävikkiä eri lähteistä saapuvat paketit asetetaan tietyn linkin (kanavan) tulostuspuskuriin saapumisjärjestyksessä; pakettikytkin soveltaa tilastollista kanavointia paketit ohjataan oikeaan linkkiin reititystaulun avulla reititystauluja päivitetään reititysprotokollia käyttäen 29
Pakettivälitys 30
Piirikytkentä isäntäkoneiden välillä päästä-päähän yhteys; yhteys (eli piiri) täytyy perustaa, ylläpitää ja purkaa välitysresurssit varataan etukäteen, piirikytkimet ylläpitävät yhteyden tilatietoja tarkastellaan seuraavan kalvon piirikytkentäverkkoa; sen muodostavat isäntäkoneet (mm. A ja B) verkkoyhteyksineen; neljä piirikytkintä; sekä piirikytkimien väliset linkit, joita on kaikkiaan 4 kpl, kunkin linkin välitysaste R bps, jokainen linkki koostuu n kpl piirejä A:sta B:hen voidaan perustaa 2n piiriä; jokainen piiri voi lähettää dataa välitysasteella R / n bps 31
Piirivälitysverkko 32
Piirikytkentä (2) piiri voidaan implementoida joko taajuusjaksoista kanavointia (Frequency-Division Multiplexing, FDM) tai aikajaksoista kanavointia (Time-Division Multiplexing, TDM) käyttäen kaistanleveys kertoo kuinka paljon informaatiota voidaan kanavan yli voidaan siirtää; analogisessa tiedonsiirrossayksikkö on hertsi, digitaalisessa bittiä sekunnissa; FDM:ssä samaan kanavaan yhdistetään useita käyttäjiä ja jokaiselle annetaan oma taajuutensa ja osuutensa kaistanleveydestä (usein 4 khz) 33
Piirikytkentä (3) TDM:ssä aika jaetaan tietynkestoisiin ruutuihin ja jokainen käyttäjä saa kustakin ruudusta oman aikavälinsä tark. seuraavan kalvon FDM ja TDM linkkejä FDM linkissä taajuusalue koostuu 4 khz:n kaistoiksi; kukin piiri saa käyttöönsä yhden kaistan TDM linkissä aika jaetaan vakiokokoisiksi ruuduiksi, joista kukin käsittää 4 aikaväliä (eli slotia); kukin piiri saa käyttöönsä yhden aikavälin; jos linkki kykenee välittämään 8000 ruutua sekunnissa ja kullakin aikavälillä kyetään lähettämään 8 bittiä sekunnissa, on linkin välitysaste 4 8 8000 bps eli 256 kbps; tästä yhden piirin osuus on 256 / 4 = 64 kbps 34
FDM- ja TDM-kanavointi 35
Piirikytkentä (4) piirikytkennässä ei käytetä varastoi ja välitä tekniikkaa, vaan bitit välitetään kytkimessä jatkuvana virtana eteenpäin; kytkinten lukumäärällä ei siten ole välitysviiveen kannalta merkitystä Esim. Tarkastellaan 640 000 bitin tiedoston lähettämistä isännältä A isännälle B piirikytkentäverkossa, jossa jokaisen linkin välitysaste on 1.536 Mbps. Kukin linkki käyttää TDM kanavointia, jossa ruutu koostuu 24 aikavälistä. Kuinka kauan tiedoston lähettäminen kestää, kun piirin perustaminen ottaa 500 millisekuntia? Ratk. Verkkoon voidaan perustaa 24 piiriä, koska kukin ruutu jakaantuu 24 aikaväliin. 36
Piirikytkentä (5) Ratk. (jatkuu) Kunkin piirin välitysaste on 1.536 /24 Mbps eli 64 kbps. Tiedoston välitysaika (linkkiin) kestää siis 640000 / 64000 = 10 sekuntia. Kun tähän lisätään piirin perustamisaika, saadaan tiedoston lähettämiseen A:lta B:lle kuluvaksi ajaksi 10.5 sekuntia. Huomattakoon, että lähettämiseen kuluva aika on riippumaton linkkien lukumäärästä. moderni puhelintekniikka käyttää TDM kanavointia 37
Pakettikytkentä versus piirikytkentä pakettikytkennän vastustajat: pakettivälitys ei sovellu reaaliaikapalveluille (puhelinpalvelut, videoneuvottelut) vaikeasti ennustettavien välitysviiveiden vuoksi pakettikytkennän kannattajat: piirivälityksessä hiljaisia jaksoja, päästä-päähän yhteyksien perustaminen monimutkaista ja kaistanleveyden varaaminen työlästä pakettivälitys käyttää paremmin hyväksi kaistanleveyden, on tehokkaampi, yksinkertaisempi ja helpompi implementoida kuin piirivälitys nykykehitys suosii pakettikytkentää; jopa perinteiset piireihin perustuvatpuhelinverkot ovat siirtymässä pakettikytkentään 38
Pakettien välittäminen Datagrammi eli pakettikytkentäverkoissa jokainen paketti sisältää sekä lähteen että kohteen osoitteen pakettikytkimissä reititystaulut kytkin tutkii saapuvan paketin kohteen osoitteen ja reititystaulun tietojen perusteella ohjaa sen sopivaan linkkiin yhteyden tilatietoja ei säilytetä, pakettikytkimet ovat tietämätömiä yhteyksistä ja tekevät reitityspäätöksensä kohteen osoitteen (ja reititystaulun tietojen) perusteella 39
ISP:t ja Internetin runkorakenne loppukäyttäjät ja päätelaitteet ovat yhteydessä Internetiin Internet-palveluntuottajien välityksellä (Internet Service Provider, ISP) kautta miten sadat miljoonat käyttäjät ja verkot yhdistyvät toisiinsa? Internetissä reunalle sijoittuvat verkot ovat yhteydessä Internetiin ISP:eiden muodostaman hierarkisen tasorakenteen avulla hierarkian ytimessä on lukumäärältään pieni 1. tason ISP:t (1-tier ISP); ne ovat nopeita verkkoja (>622 Mbps), jotka ovat 40
ISP:t ja Internetin runkorakenne (2) pareittain keskenään yhteydessä kukin yhteydessä suureen määrään 2. tason ISP:itä kattavuudeltaan ylikansallisia 1. tason ISP:t tunnetaan Internetin runkorakenteena esim. 1. tason ISP:istä: UUNet, Sprint, AT&T, Genuity, Cable and Wireless 2. tason ISP alueellinen tai kansallinen peitto yhteydessä pieneen määrään 1-tier ISP:eitä, joiden kautta reitittää liikennettä on 1-tier ISP:n asiakas (1-tier ISP on 2-tier ISP:n hankkija) 41
ISP:eiden keskinäinen yhdistyminen 42
ISP:t ja Internetin runkorakenne (3) monet suuret yhtiöt ja instituutiot ovat suoraan yhteydessä 1. tai 2. renkaan ISP:hen ISP-hankkijat laskuttavat asiakkaitaan palveluksistaan (määrä riippuu sen suomasta kaistanleveydestä) 2-tier ISP voi myös olla kytkettynä vain toiseen 2-tier ISP:hen 2-tier ISP:iden ulkopuolella ovat alemman tason ISP:t alimpana ovat ne ISP:t, jotka yhdistävät loppukäyttäjiä ja päätelaitteita Internetiin kaksi suoraan toisiinsa yhteydessä olevaa ISP:tä ovat vertaisosapuolia 43
ISP:t ja Internetin runkorakenne (4) ISP:n paikat, joissa ISP yhdistyy toisiin ISP:hin ovat POP-pisteitä (Point of Presence); POP on usein joukko reitittimiä jonkin ISP:n verkossa; nykyään POP samaistetaan IXP:n kanssa (Internet exchange Point) ISP voi yhdistyä toisiin myös NAP-pisteissä (Network Access Point), jotka ovat jonkin kolmannen osapuolen omistamia välityspaikkoja kuka tahansa voi ryhtyä alimman renkaan ISP:ksi: täytyy omistaa Internet-yhteys ja laitteet (mm. reititin ja modeemeja), joihin käyttäjät voivat kytkeytyä 44
ISP:den yhteydet 45
4. Viive ja hävikki pakettiverkoissa Tietoverkon suoritusteho (throughput) = se määrä dataa (bittejä tai tavuja) sekunnissa, jonka verkko kykenee välittämään. Tietoverkkojen suoritusteho rajallinen, viiveitä esiintyy, paketteja häviää. Verkon läpi kulkeva paketti aloittaa matkansa isäntäkoneelta, lähteestä ja kulkee yhden tai useamman reitittimen kautta kohteeseen. Paketti kärsii viiveistä jokaisessa matkan varrella olevassa solmussa. Tärkeimmät (solmukohtaiset) viivetyypit: prosessointiviive, jonotusviive, välitysviive ja etenemisviive 46
Solmukohtainen viive 47
Solmukohtaiset viivetyypit Prosessointiviive (processing delay) d proc aika joka kuluu paketin otsikon tutkimiseen sen eteenpäinohjaamiseksi (+ esim. virheentarkastus); suuruusluokka mikrosekunteja Jonotusviive (queuing delay) d queue aika, joka kuluu paketin odottaessa välitystä; suuruusluokka mikrosekunneista millisekunteihin Välitysviive (transmission delay) d trans aika, joka kuluu paketin välittämiseen (= L/R, missä L on paketin koko ja R on linkin välitysaste); suuruusluokka mikrosekunneista millisekunteihin Etenemisviive (propagation delay) d prop aika, joka kuluu paketin liikkumiseen linkissä (= d/s, missä d on linkin pituus ja s on jotakuinkin valon nopeus ~ (2 3)x10 8 m/s) 48
Välitys- ja etenemisviive: vertailu välitysviive on se aika, jonka reitittimeltä kuluu paketin linkkiin työntämiseen; välitysviive on paketin koon ja linkin välitysasteen funktio; sillä ei ole mitään tekemistä linkin pituuden kanssa etenemisviive on se aika, joka yhdellä bitillä menee linkin läpi (reitittimestä toiseen) kulkemiseen; etenemisviive on linkin pituuden ja välitysmedian nopeuden funktio; sillä ei ole mitään tekemistä paketin koon tai linkin välitysasteen kanssa 49
Esimerkki viiveestä: autojono Valtatiellä on maksukoppi aina sadan km:n välein. Liikenne koppien välillä sujuu tasaisesti 100 km:n tuntinopeudella. Kymmenen autoa ajaa jonossa peräkkäin tietyssä järjestyksessä. Maksukoppi kykenee käsittelemään yhden auton 12 sek:ssa. Tiellä ei ole ym. autojen lisäksi muuta liikennettä. Ensimmäinen auto odottaa aina maksukopin edessä sitä, että muut yhdeksän autoa ovat saapuneet jonoon sen perään. Kuinka kauan kestää jonon siirtyminen ensimmäiseltä maksukopilta toiselle? 50
Pakettikytkimen kokonaisviive Pakettikytkimen kokonaisviive: d node = d proc + d queue + d trans + d prop Yllä d trans = L/R, missä L on paketin koko bitteinä ja R on linkin välitysaste bitteinä sekunnissa. Kokonaisviiveen d node komponentit voivat vaihdella merkittäästi. Etenemisvive d prop voi olla pieni (esim. Linnanmaan kampuksella), se voi olla satoja millisekunteja, jos välitys tapahtuu paikallaan pysyvän satelliitin kautta. Välitysviive voi olla mitätön (esim. likeissä, joiden välitysaste 10Mbps) tai satoja millisekunteja (lähetettäessä suuria paketteja yli puhelinmodeemiyhteyden) 51
Jonotusviive ja pakettihävikki jonotusviive d queue mutkikkain kokonaisviiveen d node komponenteista; voi vaihdella pakettikohtaisesti d queue :n luonnehdintaan käytetään tilastollisia menetelmiä: keskimääräinen jonotusviive, jonotusviiveen hajonta, tn. sille, että d queue :n arvo ylittää tietyn luvun d queue :n suuruus riippuu nopeudesta, jolla paketteja jonoon saapuu linkin välitysasteesta liikenteen luonteesta: saapuvatko paketit tasaisesti vai ryöppyinä oletetaan seur., että paketteja tulee jonoon a kpl sekunnissa linkin välitysaste on R bittiä sekunnissa 52
Jonotusviive ja pakettihävikki (2) tällöin bittejä tulee jonoon La kpl sekunnissa: liikennetiheys = La / R jos La / R >1, bittejä tulee enemmän kuin niitä pystytään käsittelemään; jono kasvaa rajatta ja jonotusviive lähestyy ääretöntä suunnittele järjestelmäsi siten, että La / R 1 tavallisesti paketteja tulee jonoon satunnaisesti: liikennetiheys ei riitä luonnehtimaan jonotusviivettä tilastollisesti yleissääntö: d queue, kun La / R 1 53
Keskimääräisen jonotusviiveen ja liikennetiheyden riippuvuus 54
Pakettihävikki reitittimien puskurkapasiteetti on rajoitettu; pakettien jonotusviive ei liikennetiheyden kasvassa lähene ääretöntä, vaan paketteja hylätään, kun ne saapuvat täyteeen jonoon päätelaitteiden näkökulmasta paketti toimitetaan verkon ytimeen, mutta se ei saavu verkosta kohteeseen hylättyjen pakettien osuus kasvaa liikennetiheyden kasvaessa; solmun suorituskykyä mitataan paitsi viiveen, myös pakettihävikin todennäköisyyden perustella 55
Päästä päähän viive Päästä-päähän viive saadaan yhtälön d end-end = N(d proc + d trans + d prop ) avulla, missä N -1 on reitittimien lkm (eli N on linkkien lkm). Edellä oletetaan, että d queue = 0 (verkossa ei ole ruuhkaa) välitysaste on lähettävässä solmussa ja reitittimissä vakio (R bittiä sekunnissa) pakettikoko on vakio etenemisviive on vakio jokaisessa linkissä. 56
Esimerkki päästä-päähän viiveestä Paketti, jonka koko on L bittiä, matkaa päätelaitteelta A päätelaitteelle B kolmen linkin kautta. Näitä kolmea linkkiä yhdistää kaksi pakettikytkintä. Olkoot d i, s i ja R i vastaavasti linkin i pituus, etenemisnopeus linkissä i ja linkin i välitysaste ( i = 1,2,3 ). Oletetaan, että jokaisen pakettikytkimen prosessointiviive on d proc. Jätetään pakettikytkinten jonotusviiveet huomiotta. Esitä kaava paketin päästä-päähän viiveelle. Oletetaan nyt, että paketin koko on 1500 tavua; etenemisnopeus jokaisessa kolmessa linkissä on 2.5 10 8 metriä sekunnissa; kunkin linkin välitysaste on 2 Mbps; jokaisen kytkimen prosessointiviive on 3 millisekuntia; ja ensimmäisen linkin pituus on 5000 km, toisen 4000 km ja kolmannen 1000 km. Em. arvoilla, mikä on paketin päästä-päähän viive? 57
Esimerkki päästä-päähän viivestä paketin koko L bittiä pakettikytkimien prosessointiviive d proc sek d 1 = linkin 1 pituus s 1 = linkin 1 etenemisnopeus R 1 = linkin 1 välitysaste d 2 = linkin 2 pituus s 2 = linkin 2 etenemisnopeus R 2 = linkin 2 välitysaste d 3 = linkin 3 pituus s 3 = linkin 3 etenemisnopeus R 3 = linkin 3 välitysaste lähde A pakettikytkin pakettikytkin kohde B 58
Tietoverkon suoritusteho (eli siirtomäärä) isäntäkoneelta A isäntäkoneelle B engl. throughput; mitataan bitteinä sekunnissa (bps) oletetetaan, että (suuri) tiedosto, jonka koko on F bittiä lähetetään palvelimelta A asiakkaalle B suoritustehoa voidaan mitata hetkellisesti (instantaneous throughput) tai keskimääräisesti (average throughput) hetkellinen suoritusteho: millä nopeudella (bitteinä sekunnissa) asiakas B vastaanottaa lähetettyä tiedostoa tietyllä ajanhetkellä t? oletetaan, että tiedoston välittäminen kestää T sekuntia; tällöin tiedostonsiirron keskimääräiseksi suoritustehoksi saadaan F / T bittiä sekunnissa 59
Tietoverkon suoritusteho (1) seur. kalvon verkossa (a) on palvelimen ja reitittimen välisen linkin välitysaste R S ja reitittimen ja asiakkaan välisen linkin välitysaste R C bittiä sekunnissa tarkastellaan tiedonsiirtoa bittivirtana ja linkkejä kanavina tai putkina millä nopeudella tietoa virtaa palvelimelta asiakkaalle? verkon (a) suoritusteho ( siirtomäärä ) palvelimelta asiakkaalle on min{r S, R C } bps; tiedoston siirtäminen palvelimelta asiakkaalle kestää noin F / min{r S, R C } sek edellä esitetyt kaavat suoritusteholle ja ajalle ovat suhteellisen karkeita arvioita 60
Esim. A. Verkon suoritusteho: tiedoston siirto palvelimelta asiakkaalle R s bps reititin R c bps asiakas palvelin (a) R 1 R 2 R n asiakas palvelin (b) 61
Tietoverkon suoritusteho (2) edellisen kalvon verkossa (b) on n linkkiä (ja n-1 reititintä) ja i. linkin välitysaste on R i bittiä sekunnissa (i = 1,2,...,n) verkon (b) suoritusteho (siirtomäärä) palvelimelta asiakkaalle on min{r 1, R 2,..., R n } bps; tiedoston siirtäminen palvelimelta asiakkaalle kestää noin F / min{r 1, R 2,..., R n } sekuntia 62
Tietoverkon suoritusteho (3) Seur. kalvon verkossa on palvelimen ja sen oletusreitittimen välisen linkin välitysaste R S bps ja asiakkaan ja sen oletusreitittimen välisen linkin välitysaste R C bps sekunnissa. Oletetaan, että verkon ytimessä olevilla linkeillä on korkeat välitysasteet, huomattavasti korkeammat kuin R S ja R C. Mikäli verkon ytimessä ei ole muuta liikennettä kuin asiakkaan ja palvelimen välinen, tulee päästä -päähän siirtomääräksi palvelimelta asiakkaalle min{r S,R C } bps 63
Esim. B. Verkon suoritusteho: tiedoston siirto palvelimelta asiakkaalle palvelin R s R c asiakas 64
Tietoverkon suoritusteho (4) Seur. kalvon verkossa on 10 palvelinta ja 10 asiakasta, jotka ovat oletusreitittimiensä kautta kytkeytyneet verkon ytimeen. Oletetaan, että kaikki kymmmenen eri asiakasta lataavat yhtä aikaa tiedostoja kymmeneltä eri palvelimelta; kyseessä on siis kymmenen asiakaspalvelin parin yhtäaikainen toiminta. kunkin asiakkaan ja sen oletusreitittimen välisen linkin välitysaste on R C bps; kunkin palvelimen ja sen oletusreitittimen välisen linkin välitysaste on R S bps verkon ytimessä olevan yhteisen linkin välitysaste on R; kaikkien muiden verkon ytimen linkkien (paitsi yhteisen) välitysaste on huomattavasti suurempi kuin R C, R S ja R verkossa ole muuta liikennettä 65
Esim. C. Verkon suoritusteho: tiedoston siirto palvelimilta asiakkaille kymmenen palvelinta pullonkaulalinkki, jonka välitysaste R bps kymmenen asiakasta 66
Tietoverkon suoritusteho (5) Mitkä ovat edell. kalvon verkossa yhden latauksen siirtomäärä palvelimelta vastaavalle asiakkaalle Mikäli yhteisen linkin välitysaste R on huomattavasti (esim. sata kertaa) suurempi kuin R S ja R C, on kunkin kymmenen latauksen siirtomäärä palvelimelta asiakkaalle min{r S, R C } bps. Jos taas yhteisen linkin välitysaste R bps on samaa kokoluokkaa kuin R S ja R C, tulee kunkin latauksen siirtomääräksi palvelimelta asiakkaalle R / 10 bps. 67
Tietoverkon suoritusteho (6) Oletetaan, että edellä R S = 2 Mbps, R C = 1 Mbps ja R = 5 Mbps. Oletetaan lisäksi, että yhteinen linkki jakaa välitysasteensa tasaisesti jokaiselle lataukselle. Tällöin pullonkaula ei ole pääsyverkoissa, vaan yhteisessä linkissä; suoritustehoksi palvelimelta asiakkaalle kussakin latauksessa saadaan 5 Mbps / 10 = 500 kbps. 68
5. Tietoverkkojen protokollapinot ja viitemallit sunnittelun ja implementaation helpottamiseksi protokollat on organisoitu kerroksiksi kullakin kerroksella täsmällisesti määritelty tehtävänsä vastinkerrokset kommunikoivat toistensa kanssa viestejä vaihtaen tehtävä määritelty sellaisina kokonaisuuksina, että viestinvaihto eri kerroksien välillä minimoituu i. kerros tarjoaa palvelujaan (i+1). kerrokselle (ja ottaa vastaan palveluja (i-1). kerrokselta) kun isäntäkoneen A kerros i lähettää viestin isäntäkoneen B samalle kerrokselle i, viesti kulkee protokollapinossa alaspäin 1. kerrokseen 69
Kerrosmallit ja protokollapinot kukin kerros muodostaa viestistä oman versionsa lisäämällä otsikkotietoja ja mahdollisesti muuta dataa ja toimittaa sen jälkeen viestin alapuolellaan olevalle kerrokselle A:n 1. kerroksesta viesti kulkee B:n 1. kerrokseen ja nousee sitten B:n i. kerrokseen kukin kerros luotttaa alemman kerroksen palveluun A:n ja B:n i. kerrokset ovat vertaisyhteydessä (peer-topeer connection) vrt. esim. kirjeen kulkuun tavallisessa postissa 70
Lentomatkan suorittaminen 71
Lentolinjan toimintojen horisontaalinen kerrostuminen 72
Protokollan datayksiköt eri kerroksissa 73
OSI / ISO - viitemalli verkkojen lukumäärässä ja koossa tapahtunut valtava kasvu viimeisen kahdenkymmenen vuoden aikana verkot rakennettu erilaisin laite- ja ohjelmistorakentein monet verkot keskenään epäyhteensopivia, keskenään kommunikointi vaikeaa Internetional Standard Organisation (ISO) tutki eri ratkaisuja ja loi verkkomallinsa 1984 OSI malli auttaa valmistajia kehittämään keskenään yhteensopivia ja toimivia verkkoja nopeuttaa verkkotuotteiden kehitystä 74
OSI / ISO viitemalli (2) mahdollistaa verkon eri kerroksien toimintojen tarkastelun auttaa hahmottamaan sen, miten data kulkee verkossa havainnollistaa sitä miten informaatio datapakettien muodossa kulkee sovellusohjelmista verkkomedian kautta toisessa tietokoneessa olevaan sovellusohjelmaan kerrosmallin edut verkkoliikenne jakaantuu pienempiin osiin, joita on helppompi kehittää verkon komponentit voidaan standardoida, jolloin monitoimittajaympäristöjen tukeminen ja kehittäminen on mahdollista eri tyyppiset verkkolaitteet ja ohjelmistot voivat toimia keskenään yhdessä kerroksessa tehtävät muutokset eivät eivät vaikuta muihin kerroksiin (modulaarisuus), mikä nopeuttaa kehitystyötä verkkorakenteiden oppiminen helpotuu 75
OSI viitemallin seitsemän kerrosta kerros 7: sovelluskerros (application layer) kerros 6: esitystapakerros (presentation layer) kerros 5: istuntokerros (session layer) kerros 4: kuljetuskerros (transport layer) kerros 3: verkkokerros (network layer) kerros 2: siirtoyhteyskerros (data link layer) kerros 1: fyysinen kerros (physical layer) Kullakin kerroksella on omat toimintonsa, jotka sen täytyy suorittaa, jotta datapaketit voivat liikkua lähteestä kohteeseen. 76
OSI mallin kerrosten kuvaukset kerros 7: sovelluskerros lähinnä käyttäjää sovelluksien verkkopalvelut, pääsy tiedostoihin ja tulostus ei tarjoa palveluja muille kerroksille (vain sovelluksille) perusta eri osapuolten väliselle kommunikoinnille synkronoi ja luo sopimukset menettelytavoille, joilla virheistä toipumisesta ja datan eheydestä huolehditaan kerros 6: esitystapakerros yhden järjestelmän sovelluskerroksen data on toisen järjestelmän sovelluskerroksen luettavissa kääntää datarakenteiden välillä käyttäen yhteistä rakennetta tiivistäminen (pakkaus) ja salaus 77
OSI mallin kerrosten kuvaukset (2) kerros 5: istuntokerros muodostaa, hallitsee ja purkaa kahden sovelluksen (isännän) väliset istunnot tarjoaa palvelunsa esitystapakerrokselle valvoo datan vaihtamista sovellusten välillä tarjoaa menetelmät tehokkaaseen tiedonsiirtoon, palveluluokitteluun ja istuntokerroksen, esitystapakerroksen ja sovelluskerroksen ongelmien poikkeusraportointiin OSI-malllin neljä alinta kerrosta määrittelevät kuinka data siirretään fyysisessä kanavassa verkolaitteiden kautta lähteestä kohteeseen ja lopulta sovellukseen. 78
OSI mallin kerrosten kuvaukset (3) kerros 4: kuljetuskerros segmentoi lähteen istuntokerroksen välittämän datan ja kokoaa kohteen verkkokerroksen välittämän datan datavuoksi kuljetus- ja istuntokerroksen välinen raja = sovellus- ja datavuoprotokollien välinen raja tarjoaa datan kuljetuspalvelun, suojelee ylempiä kerroksia kuljetukseen liittyviltä yksityiskohdilta varmistaa luotettavan kuljetuksen kahden isäntäkoneen istunnon välillä muodostaa, ylläpitää ja purkaa hallitusti yhteydelliset piirit palvelun luotettavuuden varmistavat: virheentunnistus, virheenkorjaus ja vuonohjaus 79
OSI mallin kerrosten kuvaukset (4) kerros 3: verkkokerros tarjoaa kahden verkossa erillään olevan isännän välisen yhteyden ja polunvalinnan (reititys, looginen osoitteistus) kerros 2: siirtoyhteyskerros siirtää käsittelemätöntä dataa fyysisen kerroksen ja verkkokerroksen välillä; varmistaa (virheettömän) tiedonsiirron solmusta toisseen yhden linkin yli; verkkokortti edustaa siirtoyhteyskerrosta tietokoneessa; muuttaa datan tietokehyksiksi kerros 1: fyysinen kerros määrittelee sähköiset, mekaaniset, proseduraaliset ja toiminnalliset spesifikaatiot päätejärjestelmien väisen fyysisen yhteyden aktivointiin, ylläpitämiseen ja deaktivointiin (jännitetasot, jännitevaihtelut, tiedonsiirron enimmäisetäisyydet, fyysiset liittimet jne.) 80
Vertaisyhteys (peer-to-peer connection) sovelluskerros sovelluskerros siirtoyhteyskerros siirtoyhteyskerros istuntokerros istuntokerros kuljetuskerros kuljetuskerros verkkokerros verkkokerros yhteyskerros yhteyskerros fyysinen kerros fyysinen kerros 81
Osoitetietojen lisääminen dataan käyttäjädata sov. otsikko data sovelluskerros sovellusdata TCP-otsikko data kuljetuskerros segmentti IP-otsikko data verkkokerros paketti, datagrammi LAN-otsikko data yhteyskerros kehys 82 82
TCP / IP viitemalli Yhdysvaltain Puolustusministeriön (Department of Defense, DoD) luoma haluttiin malli tietoverkolle, joka kestää kaikissa olosuhteissa, myös ydinsodassa TCP/IP malli on Internetin synnyttänyt standardi TCP/IP mallissa neljä kerrosta sovelluskerros kuljetuskerros Internet-kerros verkkoyhteyskerros (fyysinen kerros) 83
TCP / IP mallin kerrosten kuvaukset kerros 4: sovelluskerros (prosessikerros) huolehtii ylemmän tason protokollista, esitystapa-asioista, koodauksesta ja keskustelun hallinnasta kaikki sovellukseen liittyvä yhdistetään yhteen kerrokseen varmistaa, että data on oikein pakattu seuraavaa kerrosta varten kerros 3: kuljetuskerros sujuvat verkkoyhteydet, luotettavuus, uudelleenlähetys, vuonohjaus ja ruuhkanhallinta tukee lähteen ja kohteen välisiä keskusteluja ja jakaa tiedon segmentteihin TCP ja UDP ovat kuljetuskerroksen protokolla 84
TCP / IP mallin kerrosten kuvaukset (2) kerros 2: Internet-kerros (verkkokerros) lähettää paketit mistä tahansa Internetiin liitetystä verkosta siten, että ne saapuvat kohteeseen huolimatta poluista ja verkoista joiden kautta tämä tapahtuu IP on Internet-kerroksen protokolla parhaan polun valinta ja reititys tapahtuu Internet-kerroksessa kerros 1: verkkoyhteyskerros (isäntä/verkko kerros) esitetään joskus kahtena kerroksena sisältää ne tekijät, jotka tarvitaan, jotta IP-paketti todella siirtyisi toisiinsa liitettyjen laitteiden fyysisen yhteyden kautta sisältää lähi- ja alueverkkoteknologioiden sekä OSI-mallin fyysisen ja siirtoyhteyskerroksen yksityiskohdat 85
Internet - protokollapino sovelluskerros Telnet FTP SMTP HTTP Traceroute DNS SNMP NFS RIP kuljetuskerros TCP UDP verkkokerros ICMP IP IGMP yhteyskerros ARP Data Link RARP 86
OSI- ja TCP/IP mallien vertailu samankaltaisuuksia kerrosmalleja molemmissa sovelluskerros, vaikka palvelut erilaisia samankaltaiset kuljetus- ja verkkokerrokset pakettikytkentäteknologia oletuksena molemmat tärkeitä eroja TCP/IP malli yhdistää OSI-mallin kolme ylintä kerrosta sovelluskerrokseksi TCP/IP malli yhdistää OSI-mallin kaksi alinta kerrosta verkkoyhteyskerrokseksi 87
OSI- ja TCP/IP mallien vertailu (2) TCP/IP malli vaikuttaa yksinkertaisemmalta: siinä on vähempi kerroksia OSI-mallia on yksityiskohtaisuutensa vuoksi helpompi kehittää TCP/IP protokollat ovat Internet-standardeja, joten TCP/IP malli on erittäin uskottava verkkoja ei yleensä rakenneta OSI-mallin perusteella (se on ohjenuora) 88
Isäntäkoneet, reitittimet, sillat; laitteissa eri määrä kerroksia 89
Mittayksiköiden kerrannaisia osoittavat etuliitteet ja niiden lyhenteet eksa E 10 18 peta P 10 15 tera T 10 12 giga G 10 9 mega M 10 6 kilo k 10 3 hehto h 10 2 deka da 10 desi d 10-1 sentti c 10-2 milli m 10-3 mikro 10-6 nano n 10-9 piko p 10-12 femto f 10-15 alto a 10-18 90