AP7, IN7 Počítačové sítě
Zadání:
Počítačové sítě (topologie, přístupové metody a architektury počítačových sítí (Ethernet, Fast Ethernet, Token-ring, ATM, … ). Bezdrátové komunikační technologie. Model OSI. Protokol TCP/IP. Propojování počítačových sítí a směrování informací)
Vypracování
Úvod
Motto: „Hlavním smyslem počítačových sítí jsou jejich aplikace.“
Parametry sítě dle nároků aplikací:
Propustnost – objem přenesených dat za jednotku času
Zpoždění (latence) – doba mezi požadavkem a odezvou
Rozptyl (jitter) – kolísání zpoždění
Ideální vs. reálná síť
Transparentní struktura s end-to-end vlastnostmi vs. reálná struktura
Neomezená vs. limitovaná propustnost
Nulové zpoždění vs. zpoždění na aktivních prvcích a při přenosu
Nulový vs. vysoký rozptyl
OSI model
Abstraktní model určený jako podklad pro standardizaci norem v oblasti sítí a tvorbu síťových protokolů.
Sestává ze sedmi vrstev, každá má definovánu množinu vlastností a funkcí potřebných pro komunikaci. Každá vrstva využívá služeb své sousední nižší vrstvy a poskytuje své služby sousední vyšší vrstvě.
Popis vrstev
Aplikační – Účelem je poskytnout aplikacím přístup ke komunikačnímu systému a umožnit tak jejich spolupráci (Telnet, SSH,
FTP, SMTP).
Prezentační – Funkcí vrstvy je transformovat data do tvaru, který používají aplikace (Samba).
Relační – Zajišťuje dialog mezi spolupracujícími relačními vrstvami obou systémů. Slouží k ustavení, udržení a ukončení relace mezi komunikujícími stranami (SSL).
Transportní – Zajišťuje přenos dat mezi koncovými uzly (TCP, UDP).
Síťová – „Vrstva routerů“, stará se o směrování v síti a síťové adresování. Poskytuje spojení mezi systémy, které spolu přímo nesousedí (IP).
Spojová – „Vrstva switchů“, poskytuje spojení mezi dvěma sousedními systémy.
Fyzická – Specifikuje fyzickou komunikaci. Definuje všechny elektrické a fyzikální vlastnosti zařízení.
Mnemotechnická pomůcka k pořadí vrstev: Please Do Not Tell Secret Passwords Anytime.
Protokoly
TCP
Transmission Control Protocol1)
Spojovaná služba čtvrté vrstvy, jež poskytuje zaručený proud slabik (žádné ztráty, zachovává pořadí paketů).
potvrzuje zaslané zprávy
používá piggybacking (potvrzení posílá spolu s dalšími daty)
pro zachování pořadí čísluje pakety
pokud nedorazí paket, příjemce vyšle potvrzení o nedoručení a všechny následující pakety zahazuje
existuje několik různých implementací protokolu (Tahoe, Reno, Vegas – názvy dle měst v Nevadě :))
4 základní algoritmy
Pomalý start
congestion window (cwnd
), vysílající definuje objem dat, který smí být vyslán
receiver advertised window (rwnd
), příjemce definuje objem dat, který akceptuje
po každém potvrzení se zvyšuje cwnd
o jeden segment (512 B)
dochází k exponenciálnímu navyšování objemu posílaných dat až do ssthresh
, pak končí
Zábrana zahlcení
nárůst pouze lineární
cwnd
se zvyšuje o segment pouze za RTT
Round Trip Time – čas, jenž data potřebují na cestu mezi vysílajícím a přijímajícím a zpět)
Rychlá retransmise
Rychlé vzpamatování
jedná se o způsob, jak předejít návratu do fáze pomalý start po ztrátě paketů
posíláme více dat a čekáme na potvrzení, podle toho pak upravíme cwnd
Implementace TCP Reno, exponenciální část křivky = Slow start, lineární nárůst = Congestion avoidance, pokračování od hodnoty ~ssthresh
= fast recovery
UDP
User Datagram Protocol2)
Nespojovaná, nezajištěná služba (odpovědnost za pakety nese aplikace) 4. vrstvy ISO/OSI. Určená pro prostý přenos paketů. De facto je to rozšíření IP protokolu o informaci o portech.
IP
Internet Protocol3)
Otevřený škálovatelný protokol síťové vrstvy. Zajišťuje dopravu dat mezi uzly. Určen pro velké sítě.
Dvě verze: IPv4 a IPv6
ICMP
Internet Control Message Protocol4)
Doprovází IP, slouží k zjišťování stavu sítě a k odhalení chyb při přenosu paketů.
ICMP zprávy: Destination unreachable, Redirect, TTL expired, Echo request/reply
Topologie
Hvězda
Kruh
Sběrnice
Strom, Mesh atd.
Architektury a přístupové metody
MAC – Medium Access Control (řízení přístupu k médiu)
Protokoly pro MAC mohou být založeny na:
soupeření (connection-based)
rezervaci prostředků (času, kanálu)
předávání oprávnění (token-based)
kombinaci předchozích metod
Faktory, jež ovlivňují výběr MAC protokolu:
konfigurace spoje (jednosměrný, half duplex, full duplex)
(ne)možnost všesměrového vysílání
topologie spoje (point-to-point, bus, ring)
spolehlivost a chybovost
přenosová rychlost (b/s)
vzdálenost nebo délka vedení
rychlost šíření signálu v médiu
zpoždění signálu v aktivních prvcích
MAC protokoly se soupeřením
Negarantují, kdy bude moci stanice vysílat. (Garantují, že nemusí vysílat nikdy. ;))
Aloha
vznikl na Hawaii
všesměrové rádiové vysílání
každá stanice vysílá, kdykoliv má požadavek
využití teoretické kapacity kanálu max. 18 %
CSMA
Carrier Sense Multiple Access
nesynchronizovaná kolizní metoda (jako Aloha)
vysílající poslouchá signál
tři druhy
nenaléhající CSMA – je-li kanál obsazen, čeká náhodný interval
1-naléhající CSMA – čeká, dokud není volno, potom okamžitě vysílá
p-naléhající CSMA – je-li volno, vysílá s pravděpodobností p (p by měla být menší než 1/(počet vysílajících))
CSMA/CD
CSMA/Collision Detection
dtto CSMA, navíc vysílající poslouchá při vlastním vysílání
zjistí-li kolizi, přeruší vysílání a vyšle rušící signál, aby kolizi detekovala i druhá vysílající stanice
není použitelné u rádiových přenosů, protože přijímací část by při současném vysílání i naslouchání byla zahlcena vlastním signálem (rušila by sama sebe)
CSMA/CA
CSMA/Collision Avoidance
nenaléhající CSMA, začátek čekacího intervalu je synchronizován na pravidelný čas
použití v bezdrátových sítích
potřeba opakování přenosu na základě potvrzení přijetí rámce
Ethernet
1-naléhající CSMA/CD s exponenciálním růstem čekacího intervalu
průchodnost se zmenšuje a zpoždění zvětšuje s rostoucím počtem vysílajících stanic
není spravedlivý:
pravděpodobnost vysílání při další příležitosti je menší u stanice, která je déle blokována
stanice vysílající delší pakety jsou zvýhodněné
spravedlivost roste s počtem stanic (ale…)
řešení ⇒ propojení přepínačem (dojde ke zmenšení kolizních domén)
MAC s rezervací
SDH a SONET
Synchronous Digital Hierarchy (Evropa), Synchronous Optical NETwork (USA)
protokoly pro vysoké rychlosti na optických médiích
stejné principy, odlišné časování
striktně point-to-point
vychází z multiplexování digitalizovaných telefonních hovorů
synchronní – data jednotlivých příspěvkových toků se vždy nachází na stejném místě v rámci; rámce jsou neustále generovány na základě jednotného hodinového signálu
na vzdálenosti tisíců kilometrů
10 Gb na stovky kilometrů, experimentálně 40 Gb
ATM
vznikl na popud několika velkých firem
Cíle:
podpora pro všechny existující i budoucí služby
efektivní využití zdrojů
zjednodušené směrování → vysoké rychlosti
QoS (Quality of Service) pro existující i budoucí služby
rodina protokolů od síťové po fyzickou vrstvu
malé rámce pevné délky 53 B – buňky
PCR – Peak Cell Rate – špičková přenosová rychlost
SCR – Sustainable Cell Rate – agregovaná přenosová rychlost za nějakou dobu
dohoda o parametrech spojení při jeho ustavení (connection-oriented služba)
zvláštní protokolové vrstvy pro přizpůsobení běžným potřebám
nakonec max. 622 Mb/s
Typy provozu (BR = Bit Rate)
CBR (Constant BR) – specifikuje se datový tok, emulace pevné linky, snadná implementace, PCR=SCR
VBR (Variable BR) – složitá implementace, definuje zvlášť PCR a SCR
VBR-rt (real time) – streaming, pevně stanovené zpoždění
VBR-nrt (non-real time) – video on-demand, neexistují pevné limity pro zpoždění
ABR (Available BR) – pokus o adaptabilní službu typu TCP
Resource Management Cell – obsahuje informaci o požadavku na PCR, zajišťuje tak explicitně kontrolu zahlcení, přepínače po cestě RM sníží, nebo zachovají, cíl pošle RM s aktuální hodnotou vysílajícímu
UBR (Unspecified BR) – Best effort služba, je možné definovat PCR
MAC s předáváním oprávnění
oprávnění vysílat (token) má vždy jedna stanice, je předáváno
MAC protokol musí obsloužit chybové a neobvyklé stavy
vytvoření tokenu při inicializaci
obnovení tokenu po ztrátě v důsledku chyby média
obnovení tokenu po ztrátě či zdvojení v důsledku chyby nebo vypnutí některé stanice
řešeno algoritmy distribuované dohody
Směrování v sítích
Pakety prochází řadou směrovačů. Směrování může být statické i dynamické.
Statické směrování
známe topologii
existuje centrální směrovací tabulka, bývá zpracovávána „ručně“ off-line. Díky tomu může být optimální pro danou topologii vzhledem k zadaným kritériím
výhodou je jednoduchost, nevýhoda je vyšší citlivost na výpadky v síti a zátěž
Dynamické směrování
Směrovací schémata mohou být:
Distribuovaná vs. centralizovaná
„Krok za krokem“ vs. zdrojová
Deterministická vs. stochastická
Jednocestná vs. vícecestná
Dynamická vs. statický výběr cest
… a Internet je… červený
Směrovací algoritmy
Funkce
Vlastnosti
Správnost
Jednoduchost
Robustnost
Stabilita
Spravedlivost
Efektivnost
Optimálnost
Výkonnostní kritéria
Druhy
Statické algoritmy
jednorázové tabulky (často ručně vytvořené)
neflexibilní, hodí se pro statickou topologii
lze je dobře optimalizovat
Síť je reprezentována jako graf. Uzly jsou jednotlivé prvky sítě, hrany jsou komunikační linky mezi jednotlivými uzly. Hrany mohou být ohodnoceny – lze určit cenu komunikace.
Hierarchie směrování
Směrování Distance Vector
Předpoklad: každý směrovač zná pouze cestu (adresa) a cenu (hrana) k sousedům
Cíl: směrovací tabulka pro každý cíl v každém směrovači
Idea: oznam sousedům svou představu tabulky
DV algoritmus
Distance Vector = dvojice <Cíl, Cena>
inicializace – sousedé se známou cenou, zbývající uzly mají cenu nastavenu na nekonečno
Periodické zasílání kopií DV sousedům
Problém zacyklení (při výpadku hrany) řešen dělením horizontu, směrovač nikdy nesděluje cestu zpět k uzlu, od nějž se ji dozvěděl
Typický zástupce: RIP (Routing Information Protocol)
Směrování Link State
Stejný předpoklad a cíl jako u DV
Idea: šíří se topologie, cesty si směrovače počítají samy
Pracuje ve dvou krocích
šíření topologie (broadcast)
výpočet nejkratší cesty (Dijkstra)
Typický zástupce: OSPF (Open Shortest Path First)
Bezdrátové komunikační technologie
Klasifikace bezdrátových přenosů:
rádiové přenosy – rádiové vlny s nízkým kmitočtem
mikrovlnné přenosy – rádiové přenosy na frekvencích nad 100
MHz
IR přenosy – komunikace na krátkou vzdálenost
světelné přenosy – úzký světelný paprsek
Typy bezdrátových sítí
Techniky rozprostřeného spektra
DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum)
signál je transformován do n-bitové sekvence
rušení (kolize) není problém, poškozené informace lze dopočítat
FHSS (Frequecy Hopping Spread Spectrum)
nosný signál vysílán po krátkou dobu
přeskočí a pokračuje na jiné frekvenci
posloupnost přeskoků je dána pseudonáhodným generátorem čísel
výskyt rušení není kritický
„Statické“ technologie
WiFi
ad-hoc i infrastrukturní
rodina standardů kolem 802.11
DSSS v pásmech 5
GHz (802.11a) a 2,4
GHz (802.11b, 802.11g)
rychlosti 11 Mb/s (802.11b), 54 Mb/s (802.11a, 802.11g)
vysílací dosah 30/300 m (v budově/na volném prostranství)
Bluetooth
striktně Master-Slave komunikace, maximálně 8 spolu asociovaných zařízení ⇒ vytváří tzv. piconet
-
half-duplex (64 Kb/s) a full-duplex (720 Kb/s) provoz, dosah v jednotkách metrů
WiMax
Mobilní technologie
princip buňkových sítí (průměr stovky metrů až 35 km)
GSM
-
poskytnutí telekomunikačních služeb (hlasové a datové služby, SMS…)
pomalé (maximálně 9,6 kb/s)
ostatní využívají stávající infrastrukturu GSM, pouze přidávají svoje specifické komponenty
GPRS – vývojový krok směrem k UMTS, využívá principu přepojování paketů (packet switching), nevýhodou jsou vysoké náklady a nový HW, rychlost až 160 kb/s (teoretická)
EDGE – zvyšuje rychlost přenosu dat až 384 kb/s
UMTS – 3G síť, až do 2 Mb/s ve městě, využívá kódový multiplex (CDMA)
Předměty
-
FI:PV005 Služby počítačových sítí (podzim 2005)
FI:PA151 Soudobé počítačové sítě (jaro 2008), magisterský předmět
Použitá literatura
Kam dál?
Vypracoval
Vít Rusňák, Jabber: vitek@jabber.ics.muni.cz, E-mail: vit.rusnak@gmail.com <100 %>