AP7, IN7 Počítačové sítě

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)

Motto: „Hlavním smyslem počítačových sítí jsou jejich aplikace.“

• Propustnost – objem přenesených dat za jednotku času
• Zpoždění (latence) – doba mezi požadavkem a odezvou
• Rozptyl (jitter) – kolísání zpoždění

• 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

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.

• 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.

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

Implementace TCP Reno, exponenciální část křivky = Slow start, lineární nárůst = Congestion avoidance, pokračování od hodnoty ~ssthresh = fast recovery

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.

Internet Protocol³⁾ Otevřený škálovatelný protokol síťové vrstvy. Zajišťuje dopravu dat mezi uzly. Určen pro velké sítě.
Dvě verze: IPv4 a IPv6

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

• Hvězda
• Kruh
• Sběrnice
• Strom, Mesh atd.

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

Negarantují, kdy bude moci stanice vysílat. (Garantují, že nemusí vysílat nikdy. ;))

• vznikl na Hawaii
• všesměrové rádiové vysílání
• každá stanice vysílá, kdykoliv má požadavek
• využití teoretické kapacity kanálu max. 18 %

• 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/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/Collision Avoidance
• nenaléhající CSMA, začátek čekacího intervalu je synchronizován na pravidelný čas
• použití v bezdrátových sítích
• potřeba opakování přenosu na základě potvrzení přijetí rámce

• 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)

• TDMA (Time Division Multi Access) – pevně stanovená časová okna pro každou stanici (např. GSM)

• 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

• 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

• 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

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

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

• 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

• 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)

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)

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

• 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)

• 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)

• FI:PB156 Počítačové sítě (jaro 2006)
• FI:PV005 Služby počítačových sítí (podzim 2005)
• FI:PA151 Soudobé počítačové sítě (jaro 2008), magisterský předmět

• OSI model (Wiki CS)
• OSI model (Wiki EN)
• http://www.ics.muni.cz/people/matyska/vyuka/site/site.html
• http://www.fi.muni.cz/usr/brandejs/P005/
• http://www.fi.muni.cz/usr/staudek/vyuka/PA151/PA151.xhtml
• http://www.ics.muni.cz/people/matyska/vyuka/pa159/pa159.html

Materiály k předmětu PV183 Technologie počítačových sítí

Vít Rusňák, Jabber: vitek@jabber.ics.muni.cz, E-mail: vit.rusnak@gmail.com <100 %>