Datakommunikation o Datornät

Transkript

1 End host Application End host Application Datakommunikation o Datornät Presentation Session Transport Network Network Network Presentation Session Transport Network En introduktion till kursen: TDBC64 Datakommunikation och Datornät C, 5 poäng vid Umeå universitet Data link Data link Data link Data link Physical Physical Physical Physical One or more nodes within the network Torbjörn Wiberg, UmU 1 Disposition av föreläsning 1o2 Registrering Om schema, labbar, tentor mm Om datornät och kurs Några begrepp Tjänsteutbud Prestandamått Principer för datornäts arkitektur Torbjörn Wiberg, UmU 2

2 Om datornät och kurs Registrering Schema, labbar, tentor mm Om datornät och kurs Vad är ett datornät? Hur är datornätet organiserat? Vilken kvalitet har datornätet? Vad handlar kursen om? Datornätshistoria Internet Några begrepp Tjänsteutbud Prestandamått Principer för datornäts arkitektur Torbjörn Wiberg, UmU 3 Vad är ett datornät? Ett datornät är ett nätverk av datorer Syftet att kunna ebjuda applikationer för kommunikation (e-post, videokonferens) få tillgång till en avlägsen resurs (skrivare, superdator) fördela tillgängliga resurser (distribuerade system) Kraven på nättjänsternas varierar kraftigt med användning. Datornätet ska rättvist kunna fördela sina resurser Torbjörn Wiberg, UmU 4

3 Hur är datornätet organiserat? Vilken utsträckning har nätet? lokalt i ett rum, i ett hus, på campus avgränsat till en organisation the Internet Vem har kontrollen över nätet? användarens organisation en operatör, flera, många, ingen autonoma nät som samarbetar ett nät med en ledning distribuerade system Är användarens dator och applikationsdatorerna en del av nätet? transparenta moln eller ej kommunikationssubnät värddatorer (hosts) Torbjörn Wiberg, UmU 5 Vilken kvalitet har datornätet? Datornätsparametrar av intresse för kvalitet: bandbredd genomströmning (throughput) fördröjning (delay, latency) variationer i dessa garantier för min/max (Quality of Service) felfrekvenser/felhantering tillgänglighet Parametrar för vad? nätet som helhet dator kommunikationssubnät dator dator mellan nät Vad ska man tänka på när man upphandlar en internet-tjänst? e/obs/obs_spec.html Torbjörn Wiberg, UmU 6

4 Vad handlar kursen om? I boken nämns att ett näts kvaliteter kan ses ur minst tre personers perspektiv: applikationsprogrammerarens nätverksarkitektens nätverksoperatörens Kursen handlar om principer för datornätsarkitektur grunderna för programmering av nätapplikationer Det betyder att i första hand de två första personernas perspektiv belyses. Utgångspunkten är att nätresurserna är begränsade Avvägningar mellan aspekter av kvalitet måste göras i designen av ett datornäts arkitektur och i programmering av nätverksapplikationer Vilka tjänster i nätet ska prioriteras Vad får olika val av parametrar i en nätverksarkitektur för konsekvenser för nätets kvalitet Torbjörn Wiberg, UmU 7 Datornätshistoria Arpanätet 1969 DoD Advanced Research Project Agency bbn imp, tac, host ftp, mail, telnet Ehternet (1976) SUN Stanford University Network SNA, DecNet, EARN Sunet (1979), Nordunet Terminalnät - Nunet Campusnät - Umnet kabeltv-nät fibernät radiolan ISP NFS, www, Torbjörn Wiberg, UmU 8

5 Internet Ett nätverk av autonoma datornät policies i gränserna Store-and-Forward Struktur för datoradresser och domännamn Björn Eriksen ICANN IETF internet-standarder TCP/IP utvecklas ständigt - routing CCITT televerkens sammanslutning ISO OSI Open Systems Interconnect Torbjörn Wiberg, UmU 9 Några begrepp Registrering Om schema, labbar, tentor mm Om datornät och kurs Några begrepp Noder och länkar Meddelanden och paket Datornätstopologier Switch och router Multiplexering Tjänsteutbud Prestandamått Principer för datornäts arkitektur Torbjörn Wiberg, UmU 10

6 Noder och länkar Nod = värddator eller dator i kommunikationssubnätet (KSN) Noder förbinds fysiskt med länkar Punkt-till-punkt Multi-access-länk Längden på en länk är begränsad och beror av mediet Antalet noder som kan anslutas till en länk är ofta begränsat Kommunikation sker inte bara direkt utan förmedlas ofta av mellanliggande noder Paketförmedlande nät (packet switching, jfr brev) eller kretskopplande nät (circuit switching, jfr telefonsamtal) Torbjörn Wiberg, UmU 11 Den fysiska överföringen Fibrer, koaxialkablar, twisted pairs (som för telefoner) och radio. Elektriska signaler och ljus. Elektriska signaler klingar av snabbare och måste återgenereras. De klingar av snabbare i twisted pairs än i koaxialkablar. Hög hastighet innebär flera fel. >100Mbps i twisted pairs (koppar) Elektriska signaler störs av elektromagnetiska fält. De är dessutom själva störkällor. Ljus är relativt okänsligt för elektromagnetiska fält. Ljusöverföring kan ske i terrabits/sek (10 upphöjt till 12). Radio - mark och satellit Satellit ms fördröjning för geostationära satelliter Bredband och basband Basband unyttjar kabeln helt själv Bredband - datasignalen överlagras på en bärvåg av en viss frekvens. Kan sända flera bärvågor på kabeln (en form av multiplexering), för att till exempel medge kommunikation samtidigt i två riktningar, eller som resursdelning mellan applikationer. Basband används ibland i lokala nät och i radionät. Bredband har fått en helt annan betydelse i samhällsdebatten Torbjörn Wiberg, UmU 12

7 Meddelanden och paket Kommunikationen i ett datornät sker genom att diskreta meddelanden utväxlas En länk i ett nät används för meddelanden från olika datorer till olika datorer Store-and-forward network ett meddelande tas emot, buffras i väntan på att länken ska bli ledig och skickas vidare I ett kretskopplat nät reserveras plats från starttill slutnod Torbjörn Wiberg, UmU 13 Datornätstopologier Träd Stjärna Buss Ring Maskformigt nät Den fysiska topologin kan skilja sig från den logiska Medium Radio, satellit, koaxialkabel, partvinnad kabel, fiber Sammanhang (Connectivity) helst större än 2 Hierarkiskt (rekursivt), noder är nät Normalt kombinationer av topologier Vanligtvis hierarkiska nät som binds samman till ett maskformigt internät Närmast värdarna förekommer stjärnor, ringar o bussar Torbjörn Wiberg, UmU 14

8 Switch och router I maskformiga nät väljer man väg genom nätet Internet är ett maskformigt nät av nätverk En switch är en dator i KSN som aldrig ställs inför uppgiften att välja mellan flera vägar. En router är en dator i KSN som gör vägval En router är ofta ansluten till flera nätverk eller ingår i ett maskformigt KSN Vägvalsalgoritmer Unika namn o adresser IP-adresser: Domännamn: oxe.cs.umu.se DNS domännamnserver DNS är ett distribuerat system Torbjörn Wiberg, UmU 15 Multiplexering För att dela på en kanal Tidsmultiplexering statisk fördelning låg utnyttjandegrad garanterad andel (QoS) Frekvensmultiplexering dito Statistisk multiplexering dynamisk fördelning högre utnyttjandegrad risk för överbelastning o trafikstockning alla måste få kommunicera -> paket av maximal storlek mål: rättvisa, effektivitet o prioritet Torbjörn Wiberg, UmU 16 L1 L2 L3 Switch 1 Switch 2 R1 R2 R3

9 Tjänsteutbud Registrering Om schema, labbar, tentor mm Om datornät och kurs Några begrepp Tjänsteutbud virtuella kanaler typiska kommunikationsmönster bandvidd och genomströmning tillgänglighet och kommunikationsfel Prestandamått Principer för datornäts arkitektur Torbjörn Wiberg, UmU 17 Virtuella kanaler Application Channel Application Vilket tjänsteutbud ska erbjudas användare/ applikationsprogrammerare? Virtuella kanaler där processer kan kommunicera Vilken funktionalitet ska erbjudas inom ramen för tjänsten? garanti för felfrihet meddelanden anländer i samma ordning de sänts insynskydd Följande bilder rör funktionalitet i virtuella kanaler Torbjörn Wiberg, UmU 18

10 Typiska kommunikationsmönster Application Channel Application Client/Server-mönster Request/Reply filöverföring web video-on-demand frame grabber bildfrekvens vad klarar nätet Interaktivitet som mönster video-konf chat e-learning-appl Båda mönstren använder virtuella kanaler filöverföring ström av fildelar Hur många separata kommunikationsabstraktioner ska vi stödja? få - svårt att tillgodose behoven många tungt att underhålla flera abstraktionsnivåer vad ska de lägsta abstraktionerna stödja Vad ska KSN stödja och vad ska lämnas till applikationerna ett enkelt KSN är snabbt men kan leda till större overhead i applikationen Torbjörn Wiberg, UmU 19 Bandvidd och genomströmning Bandvidd = Bandbredd bps Egentligen - Den högsta kommunikationshastighet en kanal är dimensionerad för I praktiken Den hastighet som sändnings/mottagningsutrustningen är inställd på (förenklat: klockans hastighet) Genomströmning bps Hastigheten på det faktiska kommunikationsströmmen genom en kommunikationskanal mätt över en rimlig tidsperiod Ethernet har bandvidden 10Mbps, medan genomströmningen totalt knappast överskrider 6 Mbps för en applikation kanske genomströmningen är 1 Mbps (beroende på antalet anslutna datorer på kabeln och på vilken konkurrens som råder om de tillgängliga 10 Mbps) Torbjörn Wiberg, UmU 20

11 Tillgänglighet och kommunikationsfel Vad kan gå fel datorstopp länkavbrott elektromagnetiska störningar bitfel pga att man ligger nära toleransgränser buffer overflow programfel Bitfel 1:10Mbit Cu 1:10000Gbit - fiber Skadade paket Paketförlust Upptäcka och korrigera fel paritet, checksummor, signaturer omsändning på länken eller genom hela virtuella kanalen sänka belastningen välja en annan väg svårt att skilja på överbelastad och trasig länk X / Torbjörn Wiberg, UmU 21 Prestandamått Registrering Om schema, labbar, tentor mm Om datornät och kurs Några begrepp Tjänsteutbud Prestandamått bandbredd och fördröjning bitar på väg = bandbredd * fördröjning högre hastighet men samma fördröjning applikationers behov Principer för datornäts arkitektur Torbjörn Wiberg, UmU 22

12 Principer för datornäts arkitektur Registrering Om schema, labbar, tentor mm Om datornät och kurs Några begrepp Tjänsteutbud Prestandamått Principer för datornäts arkitektur Några egenskaper hos datornät Abstraktion som idé Skiktindelad arkitekturmodell Protokoll o interface OSI-stacken IP-stacken Nästade data Multiplexering Internet-protokoll Torbjörn Wiberg, UmU 23 Skiktad arkitektur 1996 Addison-Wesley Publishers Ltd Addison-Wesley Publishing Company Inc. Skikt med uppdelat ansvar I botten fysiska medier I toppen applikationer med behov av datornätstjänster Protokoll mellan skikt på samma nivå i olika noder Interface api mot ett skikt från ett överordnat OSI/TCP-IP-stacken två standardiserade uppsättningar skikt OSI televerken IP internet, IETF Nästade data header o payload kinesisk ask Multiplexering i vissa skikt Torbjörn Wiberg, UmU 24

13 Protokoll Konvenansregler. Kommunikation med väldefinierade ramar och tolkningar. Ta av sig skorna eller ej. Hur tolkas det av den man besöker? Vokabulär, dialog, syntax, semantik. 3-vägshandskakning. Syftet är att man ska komma överens om en gränsyta mellan kommunicerande parter som bas för interoperabilitet. Standardprotokoll, leverantörsprotokoll, de facto standarder. Standardieringsarbete innefattar ofta kompromissande. Det är inte alltid så lämpligt. IETF standardisering, allra mest på lägre nivåer Torbjörn Wiberg, UmU 25 Protokollnivåer Fel o felhantering fysisk nivå - signal, signalnivåer, typ av signal, medium, kontakter datalänksnivå - ("felfri") sändning av ett block av information mellan två direkt förbundna noder nätverksnivå - vägval för nästa hopp i nätet transportnivå - ("felfri") överföring från start till slutnod applikationsnivån - t.ex ftpprotokoll, www-protokoll. OSI-stacken (modellarkitektur), IP-stacken (Internets dominerande protokoll). "Felfri" överföring. Fel inträffar Vilken frekvens, hur upptäcka och hur korrigera o hantera? Felfrekvensen är kopplad till utnyttjandegraden av resurserna hög utnyttjandegrad ger större risk för fel. (Utnyttjande av länkars kapacitet, buffertutrymmen, beräkningskapacitet i datorer. Bitfel, buffer overflow, datorerna hinner inte med. Låg utnyttjandegrad - dåligt utnyttjande av resurserna. finn en balans, ligg på gränsen där det kan inträffa fel ibland. Ansvaret för hantering fördelas Finns på datalänksnivån, transportnivån och applikationsnivån Torbjörn Wiberg, UmU 26

14 Genomströmning och fördröjning Genomströmning bps. Fördröjning sekunder. Vissa nät har (relativt) hög genomströmning, andra låg fördröjning. Utbytesförhållande. Dåliga nät - låg genomströmning och hög fördröjning. Olika multimedier har olika behov. CONS virtuell linje CNLS utan uppkoppling Torbjörn Wiberg, UmU 27