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.

ISO/OSI model 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
    • reakce na duplikované potvrzení (příjem 3 duplikovaných potvrzení detekuje ztrátu segmentu)
    • následuje jeho opětovné zaslání
  • 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

TCP Reno 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.

Topologie

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

  • TDMA (Time Division Multi Access) – pevně stanovená časová okna pro každou stanici (např. GSM)
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
  • Token Bus – topologické uspořádání sběrnice
  • Token Ring – topologické uspořádání kruh

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

  • adaptabilní na výpadky
  • realizováno složitými algoritmy
  • dynamické periodické výměny tabulek (dochází k dočasné nekonzistenci)
  • hierarchie 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

  • výběr komunikační cesty na základě daných kritérií (propustnost, zpoždění)
  • vlastní doručení dat

Vlastnosti

  • Správnost
  • Jednoduchost
  • Robustnost
  • Stabilita
  • Spravedlivost
  • Efektivnost
  • Optimálnost

Výkonnostní kritéria

  • minimalizace počtu skoků (hops) přes aktivní prvky
  • minimalizace „ceny“ cesty

Druhy

  • Statické algoritmy
    • jednorázové tabulky (často ručně vytvořené)
    • neflexibilní, hodí se pro statickou topologii
    • lze je dobře optimalizovat
  • Dynamické algoritmy
    • flexibilní a robustní
    • nutnost zajistit aktualizaci směrovacích tabulek, potřebují protokol
    • Dále se dělí na:
      • centralizované – stav se posílá do centra, centrum posílá tabulky uzlům
      • izolované – řešeno metodou náhodné procházky, vyžaduje zpětnou vazbu, šíření tabulek broadcastem = vysoká zátěž sítě
      • distribuované – uzly spolu vzájemně spolupracují
  • dochází k periodické výměně směrovacích informací

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 k sítím (autonomní systémy)
  • Směrování uvnitř sítí

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)
  • Stejný předpoklad a cíl jako u DV
  • Idea: šíří se topologie, cesty si směrovače počítají samy
  • Pracuje ve dvou krocích
    1. šíření topologie (broadcast)
    2. 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

  • ad-hoc – stanice komunikují přímo, vhodné pro dočasné sítě (LAN párty)
  • infrastrukturní – stanice komunikují prostřednictvím přístupového bodu (AP – Access Point)
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
    • FHSS v pásmu 2,4 GHz
    • half-duplex (64 Kb/s) a full-duplex (720 Kb/s) provoz, dosah v jednotkách metrů
  • WiMax
    • řešení pro „last mile“
    • Point-to-Multipoint, dosah až 50 km, až 255 Mb/s (reálně 70 Mb/s)
    • zaručuje kvalitu služeb
    • pracuje v pásmu 2–11 GHz (nelicencované)
Mobilní technologie
  • princip buňkových sítí (průměr stovky metrů až 35 km)
  • GSM
    • pásmo 900 MHz a 1800 MHz
    • 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:PB156 Počítačové sítě (jaro 2006)
  • 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 %>

Diskuze

, 2008/06/10 18:44

Opravil jsem chybku (aspon doufam) v poradi vrstev(spojova, sitova), mohl by me nekdo potvrdit ze to mam spravne?

, 2008/06/13 18:01

Jo, mas recht. Moje chyba a diky za opravu.
(Btw. Internet je take modry a kurzivou.) ;)

, 2008/06/13 16:00

Chtel bych se zeptat, jestli by nebylo dobre rozvest ty 4 algoritmy, ktere vyuziva TCP. A treba jeste doplnit anglicke nazvy topologii. Jsou podle me castejsi nez ceske ekvivalenty. Dal jen detail, slovo control v TCP a ICMP se pise s jednim l. Jinak se mi to zatim zda dobre, diky za vypracovani.

, 2008/06/15 19:58

Osobne si myslim, ze ta otazka je natolik obsahla, ze nema cenu rozepisovat ty algoritmy jeste vic. Samozrejme iniciative se meze nekladou, takze klidne to tam muzes dopsat. :)
K anglickym nazvum topologii, vzdyt ty tam jsou v tom obrazku.

, 2008/06/18 13:38

Ne ze bych do toho chtel kecat, ale pokud by jste se nekdo podival na skripta technologie pocitacovych siti od doktora Pelikana, tak zjistite, ze tato otazka jsou presne cele jeho skripta od prvni stranky do posledni, nic vic nic min:-)
To jen tak navic pro zajimavost. Jinak je to tady celkem pekne udelany, ale jak rikam skripta z technologii jsou skripta z technologii:-)

, 2008/06/21 18:46

Celý skripta za 15 minut? :) Už jen to udělat si ze skript výtah na 15 minut aby ti to sedělo ti zabere X hodin…

, 2008/06/22 22:20

Perfekne spracovaná otázka, díky moc!

ad „skripta technologie pocitacovych siti od doktora Pelikana“ - Pozeral som sa na ne a ani zďaleka toto nie sú odslova doslova prepísané skriptá. Kopírovať a vkladať vie každý blbec, ale toto je prefektne štrukturovaný výťah dôležitých vecí, akurát vhodný k 7 minútovej prezenácii.

, 2008/06/23 01:01

Doplnil jsem pod obrázek ISO-OSI-modelu ještě mnemotechnickou pomůcku k zapamatování si pořadí těch vrstev, kterou jsem se jednou naučil a bez které bych asi doteďka ty vrstvy nikdy správně nevyjmenoval :-) Třeba se bude hodit i někomu dalšímu, pokud je tedy ještě někdo, kdo ji nezná.

, 2008/06/23 11:03

Ad internet: Proč je červený? Nebyl on přece vždycky modrý? ;-) Však si to vygooglete a zjistíte, že poučku o tom, že „internet je modrý“ už jsme z FI stihli po webu docela rozšířit, zatímco zde prezentovaná červenost mi přijde jako nová (tak možná pokus o parodii?).

, 2008/06/23 12:38

Nebyl, původně byl červený… ;)
Internet je:
- červený v Úvodu do IT (PB001)
- modrý v Počítačových sítích (PB156)
- kurzivou v Počítačové sítě a jejich aplikace I (PA159)

Osobne se prikladnim k variante „modry“, protoze „Modri vedi“. ;)

, 2008/06/23 21:29

To chce vyloženě požádat o sjednocení :)

, 2009/06/18 12:49

Mě osobně se to teda nezdá moc dobře zpracované. Nevim teda jak komu, ale mě úplně drásá nervy, když se mám učit něco, co je strukturované jako seznam pojmů, občas nějaký podseznam pojmů, no prostě jen biflování pojmů. To je leda k tomu, aby se to někdo nabifloval na státnice a za týden už zase nevěděl nic. Tak jak většina otázek je zpracovaných dobře, tak tohle teda nic moc.

, 2009/06/18 23:30

Pokud si myslíš, že je vypracování otázky nesrozumitelné, můžeš se ji pokusit upravit. Nikdo ti v tom bránit nebude, právě naopak, většina pozdějších čtenářů to ocení.

You could leave a comment if you were logged in.
home/prog/ap7.txt · Poslední úprava: 2014/10/27 09:07 (upraveno mimo DokuWiki)
Nahoru
CC Attribution-Noncommercial-Share Alike 3.0 Unported
chimeric.de = chi`s home Valid CSS Driven by DokuWiki do yourself a favour and use a real browser - get firefox!! Recent changes RSS feed Valid XHTML 1.0