Datakommunikasjon Kommunikasjonsprogrammer – såkalte ...folk.uio.no/inf1040/foiler2004/datakommunikasjon.pdf · Buss-topologi Adressering ved hjelp av Ethernet-adresser OUI (Organizationally

INF1040-Datakom-1© Institutt for informatikk – Gerhard Skagestein 3. november 2004

Datakommunikasjon bak kulissene

Jfr. Cyganski kap. 4, 14, 15, 16, 19, 20


Forutsetninger for datakommunikasjon

Sender og mottaker – såkalte endesystemer

Kommunikasjonsmedium – dvs. datanettet

Regler og prosedyrer – såkalte protokoller

Kommunikasjonsprogrammer – såkalte brukeragenter

Figur fra Bjørn Ness: Into the great wide open : ABC om kommunikasjonstjenester for universitetets IT-brukere


Hovedutfordringer i datakommunikasjonDialogkontroll

Kodingsformater

Feiloppretting

Adressering

Ruting

Disse utfordringene møtes ved hjelp av avtaler om hvordankommunikasjonen skal skje – såkalte protokoller

Uten protokoller ville vi drukne i en sjø av 00101010100001011

Protokoller kan væreåpne eller proprietære!


ProtokollerDefinisjon: “Et avtalt sett med regler som gir orden og struktur til ulikesystemer i ulike situasjoner”

Du bruker protokoller hver eneste dag:

Når telefonen ringer og du tar den, sier du …

Du venter i køen foran minibankautomaten

Du stopper for rødt lys

Et brev har mottagerens adresse på et fastlagt sted og på et fastlagt format

Du vet hvordan du postlegger et brev

Protokoller er utelukkende basert på menneskelige konvensjoner, avtaler og gjensidig forståelse


LagdelingKomplekse systemer – som. f.eks. systemer for datakommunikasjon – bygges gjerne opp i såkalte lag.

Et bestemt lag benytter tjenester i laget under seg, og yter tjenester til laget over seg

Et overliggende lag kjenner ikke til “innmaten” i tjenestene i detunderliggende laget. Laget vet bare hvordan tjenesten skalanropes, og hvilket resultat som kan forventes. I tillegg kan detstilles krav til tjenestens kvalitet (hvor rask, hvor pålitelig, …)

Kjør meg tilIfi!Taxi


Et eksempel på lagdeling - telefonsamtalenFysisk lag: Telefonapparater, telefonledninger, sentraler…

Oppsett av ende-til-ende-forbindelse: Slå telefonnummer, vent til anropet besvares

Etablering av dialog mellom to personer:”Dette er hos Jensen..” ”Dette er Pettersen… kunne jeg få snakkemed…” ”Hei, her er Per..”

Typisk telefondialog – partene snakker vekselvis

Avslutning av dialog: ”…Takk for praten”

Nedkobling av ende-til-ende-forbindelse:Legg på røret Protokoller kan også være

gjenstand for forhandlinger, f.eks. om hvilket språk som skalbenyttes


TCP/IP protokoll-stakkenApplication:Tilbyr et sett av mekanismer (et språk) tilapplikasjoner som vil kommunisere

HTTP, FTP, SMTPdine applikasjoner

Transport:Sørger for datatransport fra endesystem til endesystem

TCP, UDPNetwork:Finner veien gjennom nettverket fra maskin til maskin, adresserer, ruter og videresender data

IPLink:Datatransport mellom to naboer i nettverket, sikrerkorrekt overføring av data over et fysisk medium

Ethernet, PPPPhysical:Biter ”på ledningen”

Physical

Link

Network

Transport

Application

Physical hardware


OSI protokoll-stakken (OSI-modellen)OSI – Open Systems Interconnection

ISO-standard 7498

To ekstra lag sammenliknet med TCP/IP

Presentation:Oversetter mellom ulike dataformater, skjuler forskjeller i representasjon av informasjon

Session:Setter opp, kontrollerer og avslutter ”sessions” (jfr. telefonsamtalen), styrer dialogen mellom ende-prosesser

Få (ingen) produkter – i dag kun av teoretisk interesse

Presentation

Session

Physical

Link

Network

Transport

Application

Physical hardware


Prinsippene i protokoll-stakkeneHvert lag utfører entydige og spesifikke oppgaver

En funksjon i et lag kommuniserer tilsynelatende med en motsvarende funksjon i det samme laget, men i en annen node

Hvert lag har bare kjennskap til tilgrensende lag

Et lag bruker tjenester fra laget under for å kunne utføre sine egne oppgaver

Et lag yter tjenester til laget over

Grensesnittene for tjenestene er standardisert– “innmaten” kan utformes fritt


Lagdeling – logisk kommunikasjonEksempel:Transport

Ta imot data fra applikasjonslaget

Legg til mottaker-adresse ogsjekksum

Send data til mottakernoden

Vent på bekreftelse (”ack”)


Lagdeling – fysisk kommunikasjon


Fysiske forbindelserLedningsbundet samband (”guided electromagnetic waves”)

Elektrisk

Uskjermet tvunnet parkabel

Skjermet tvunnet parkabel

Koaksialkabel

Lys

Fiberoptisk kabel

Trådløse samband (”unguided electromagnetic waves”)

Radiobølger

Infrarødt lys

Physical

Link

Network

Transport

Application

Physical hardware


Fysikkens lover gir begrensningerBegrenset signalhastighet – typisk ca. 2*108 m/s

Begrenset overføringskapasitet – typisk fra 10 Mbps til mange Gbps

Begrenset overføringslengde pga. dempning (”attenuation”), støy og interferens– jo lengre og jo tynnere kabel, jo større dempning

Originalsignal Dempet signal

signalhastighet

overføringskapasitet

I de fleste tilfeller er begrensninger i overføringskapasiteten mer plagsomt ennbegrensninger i signalhastigheten


Elektriske kabler …


… og deres karakteristika

100 km

1 km

100 m

100 m

typisk lengde

60 dB10 MbpsKoaksialkabel tynn

20 dB150 MbpsKoaksialkabel tykk

37.5 dB10 Mbps -100 Mbps

Skjermet tvunnet parkabel

56 dB10 Mbps -100 Mbps

Uskjermet tvunnet parkabel

dempning pr 100 m ved 1000 Mhz

typisk kapasitet

kabeltype

økendepris


Core-cladding boundary

Core and cladding with different indices of refraction

Fiberoptisk kabel

Cyganski figure 14.10

Physical

Link

Network

Transport

Application

Physical hardware


Fordeler og ulemper med fiberoptiske kablerFordeler:

Mye høyere overføringskapasitet (Gbps) – kan etablere tusenvis avoverføringskanaler gjennom en eneste fiber

Immun overfor støy og interferens

Høy sikkerhet – sender ikke ut elektromagnetiske signaler– derfor umulige å tappe – forstyrrer ikke omgivelsene

Mindre dempning – mindre enn 0,2 dB/kmTypisk lengde 100 km mellom forsterkere

Pålitelig – særlig i ekstreme miljøer

Lettere og mer kompakt enn kobber

Ulemper:Kostnader for utstyr for å konvertere elektriske signaler til optiske ogvice versa

Krevende å skjøteINF1040-Datakom-18© Institutt for informatikk – Gerhard Skagestein 3. november 2004

Fiberoptiske kabler er på fremmarsjBob Metcalfe:”I dag legges fiber med en hastighet på Mach 3”– i verden legges det altså én kilometer fiber per sekunddvs. to ganger rundt ekvator per døgn!

Stadig høyere overføringskapasiteter:Eksempelvis demonstrerte Siemens høsten 2000 7 terabits pr sekund (7 * 1012 bps) over en eneste fiber, oppnådd med 176 bølgelengder med 40 Gps.Dette tilsvarer mer enn 1000 bps for hvert eneste menneske på jorda!

(Kilde: Geir Steen-Olsen & Arnie Stalheim: Innføring i nettverk – infrastruktur)


Trådløse samband

Signalhastighet = lyshastigheten 3*108 m/s

Radiospekteret består av mange frekvensbånd

Kommunikasjonsutstyr kan bruke ulike frekvenser

Regulerte frekvenser – bruken er regulert gjennom nasjonale og internasjonale avtaler

Frie frekvenser

Kilde: http://howstuffworks.lycoszone.com/radio-spectrum1.htm

Physical

Link

Network

Transport

Application

Physical hardware

Lav frekvens = lang periode Høy frekvens = kort periode


Bånd i radiospekteret

MF• AM Radio• Maritimt

HF• Maritimt• Amatørradio

VHF• Televisjon• FM radio• Flytrafikk

UHF/SHF• Satellitt• Televisjon• Mobiltelefoner• Mikrobølger

EHF• Astronomi

~400-2400 MHz frekvensområdeFM radio 88-108 MHz


Ulike trådløse forbindelserTrådløse forbindelser atskiller seg med hensyn på

Hvilket frekvensbånd som brukes

Enkeltfrekvens eller ”spread spectrum”

Effekt (og dermed dekningsområde)

Punkt-til-punkt eller kringkasting

Trådløse forbindelser er utsatt for avlytting – dette må kompenseres med sikkerhetstiltak (f.eks. kryptering)


Det fysiske lagetFysisk topologi

Båndbredde

Multipleksing

Bit-synkronisering

Physical

Link

Network

Transport

Application

Physical hardware


Fysisk topologi

kreveradressering

Punkt-til-punkt-topologi

Buss-topologi

Stjerne-topologi

Ring-topologi

Maske-topologi


Båndbredde, basisbånd vs. bredbåndBåndbreddeTeoretisk mål for overføringskapasitet

Båndbredden kan utnyttes på to måter:

Basisbånd-signalering

» Signalet sendes digitalt og tar hele båndbredden

Bredbåndsignalering

» Signalet formidles ved å modulere en bærebølge(amplitude, frekvens, faseskift, …)som overføres analogt (!)

» Gir flere kanaler – flere signaler kan overføres samtidig(multipleksing)

Multipleksing kan ogsågjøres med tidsdeling


Bit-synkronisering

Det kommer en strøm avbiter over overføringsmediet

Mottaker må væresynkronisert med avsender

Mottaker må få vite hvorhver byte begynner ogslutter

Husk at biter kan mistes påveien – hvordan forhindreat en tapt bit ødeleggerhele meldingen?

Cyganski Fig 4.1


Point-to-point, asynkron overføring

Sender og mottaker må være enige om bitraten

Synkronisering mellom hver byte

Etter mottak av stop-bit venter mottager på neste start-bit og synkroniserer

I tillegg sendes ofte et paritetsbit

Må sende 11 bit for å overføre 8 bit data

Eksempel på standard: RS-232

Startbit

Databit 1

Databit 2

Databit 3

Databit 4

Databit 5

Databit 6

Databit 7

Databit 8

Stopbit


Point-to-point, synkron overføring

Klokkingen overføres i parallell med dataene

på separat linje

integrert (spenningsendring = 0, ingen spenningsendring = 1)

En av sidene gir klokkingen, den andre tar klokkingen

Databit 1

Databit 2

Databit 3

Databit 4

Databit 5

Databit 6

Databit 7

Databit 8

Databit 9

Databit 10

Her: Integrertklokking


Point-to-point, overføring i pakker

Eksempel: HDLC – High level data link protocol

En ramme startes og avsluttes med en flaggbyte = 01111110

Datamengden kan være stor (flere tusen biter)

Flagg

01111110

CRC

16 biter

Data

N * 8 biter

Kontroll

16 biter

Adresse

8 biter

Flagg

01111110

Standard HDLC ramme (”frame”)

HDLC-formatet dekkerogså Link-laget


HDLC Bit -stuffingEn protokoll som HDLC vil feile hvis flagg-byten forekommer ogsåandre steder i bitstrømmen

Husk at 01111110 = ASCII/UTF-8 “~”

Slutten på et tegn sammen med begynnelsen på et annet, eller f.eks. en RGB-verdi kan også gi 01111110

For å fikse dette problemet:Etter at flagg-byte er sendt:

Sender: Hvis du har sendt fem 1 etter hverandre, sett inn en ekstra 0

Mottaker: Hvis du har mottar fem 1 etter hverandre, etterfulgt aven 0, fjern 0’en

Dette kalles Bit Stuffing eller Zero Bit InsertionINF1040-Datakom-30© Institutt for informatikk – Gerhard Skagestein 3. november 2004

LinklagetKontrollerer dataflyt i det fysiske laget

Fysisk adressering

Feilhåndtering (ved hjelp av CRC)CRC – ”Cyclic Redundancy Check” – en sjekksum som gjør det mulig å kontrollere at dataene er korrekt overført

Flytkontroll (forhindre at sender sender mer enn mottaker kan motta)

Physical

Link

Network

Transport

Application

SjekksumCRC

DataPakke IDSenderadresse

Mottaker adresse

header

Pakke med ID = id OKMottakeradresse

Sender adresse

Jfr. HDLC-formatet

Physical hardware


Lokalnett-teknologierEthernet, trådløse nett

Buss-topologi

Adressering ved hjelp av Ethernet-adresserOUI (Organizationally Unique Identifiers) 48 biterogså kalt MAC-adresserjf. Cyganski side 263

“Den høflige samtale” – Collision Detection Multiple Access

» Lytt på linjen

» Hvis det er stille, kan vi sende

» Sjekk om noen andre er begynt samtidig

» Ved kollisjon, avbryt sending og vent en tilfeldig tid førneste forsøk

Physical

Link

Network

Transport

Application

Physical hardware


NettverkslagetFinner veien gjennom nettverket fra maskin til maskin, adresserer, ruter og videresender dataSvitsjing

Linjesvitsjing(CCITT X.21) En fast forbindelse gjennom nettet opprettes og holdesoppe så lenge “sesjonen” varer.

Meldingssvitsjing (“store and forward”)Pakkesvitsjing(CCITT X.25) Dataene deles opp i mindre pakker som sendes uavhengig

av hverandre gjennom nettet. På mottakersiden må pakkene settessammen igjen i riktig rekkefølge. Hvis en pakke skulle være feilaktigeller mangle, må mottaker be avsender om å få den overført en gang til.

Logisk adressering og rutingMetafor: Transport av et vanlig brev

Eksempel på protokoll: IP (Internet Protocol)

Physical

Link

Network

Transport

Application

Physical hardware


Transportlaget

Sørger for datatransport fra endesystem til endesystem

Skjuler kompleksiteten i underliggende lag

Kan tilby ulike transporttjenester

Forbindelsesløs – upålitelig

Forbindelsesorientert – pålitelig

Physical

Link

Network

Transport

Application

Physical hardware


Forbindelsesorientert transporttjenesteOppstart

Etabler forbindelsen – Handshaking

Lager en tilstand i de to endesystemene

Under kommunikasjonen – forbindelse

Endesystemene forventer data fra kommunikasjonspartneren

Tilbakemelding til sender om at dataene er kommet vel fram (eller eventuelt ikke)

Avslutning av kommunikasjonen

Bryt ned forbindelsen (bye-bye)

Eksempel på protokoll: TCP (”Transmission Control Protocol”)


Forbindelsesløs transporttjenesteOppstart

Ingen oppstart, bare begynn å sende data

Endesystemer må alltid forvente data

Under kommunikasjonen – ingen oppsatt forbindelse

Ingen bestemt tilstand i endesystemene

Sender vet ikke om mottaker forventer data

Ingen tilbakemelding til senderen om at dataene er kommet vel fram til mottaker

Sender må identifisere seg i hver melding

Avslutning av kommunikasjonen

Ingen nedkobling – bare slutt å sende data

Eksempel på protokoll: UDP (”User Datagram Protocol”)

Det enkle kanvære bra nok


ApplikasjonslagetApplikasjonslaget tilbyr egnede tjenester for egenutviklede applikasjonsprogrammerI tillegg tilbyr applikasjonslaget standardiserte tjenesterofte spesifikke for de underliggende protokollene

Internett-tjenester som bruker TCP

HTTPFTP (filoverføring)SMTP (e-post)Telnet (fjerninnloging)

Internett-tjenester som bruker UDP

Streaming media

Videokonferanser

Internett-telefoni

Navnetjenere

Physical

Link

Network

Transport

Application

Physical hardware


Sammenkopling av nett

Ulike typer utstyr

Repeatere –forsterker signalet

Broer og svitsjer –sammenkopling i link-laget

Rutere –sammenkopling i nettverkslaget

Gateways –sammenkopling i applikasjonslaget

jf. Cyganski side 274


Topologien i Internett

Flere mulige veier fra A til B

For hver “datapakke” velges “billigste” vei

ruter

ruter

ruter

ruter

ruterruter

ruter

A B


Hvordan adressere maskiner

IP-adresse

Entydig adresse til maskiner tilknyttet Internett

Format: 4 tall med punktum mellom

Eks.: 128.39.177.105

DNS-adresse

Format: domene.domene . . . toppdomene

» Eks.: www.ifi.uio.no

Hierarkisk adressesystem

En maskin har bare én IP-adresse, men kan ha flere nodenavn

Hvorfor DNS-adresser?

• Enklere å huske

• Samme maskin kan ha flere navn

• DNS-adresse kan flyttes fra maskin til maskin


Hvordan adressere maskiner (forts.)

OUI-adresse/MAC-adresse (Ethernet-adresse)

Entydig adresse på Ethernet-nettverkskort

Hvilken IP-adresse har maskinen med en gitt OUI-adresse?

Statisk tilordning – fast IP-adresse

Dynamisk tilordning – IP-adressen tildeles ved pålogging på nettet

Ruteren har tabeller over tilordningene

Hvordan vet vi om en maskin med en gitt IP-adresse befinner seg i lokalnettet eller ikke?


Fra DNS-adresse til IP-adresse

NettleserNavnetjener

http://128.39.177.3/ . . .

lokal nodenavn/ nettadresse - tabell

tabell over andre navnetjenere som kan hjelpemed ukjente nodenavn

DNS-adresse

IP-adresse

Navnetjener

www.uio.no?

128.39.177.3

Web-tjener

Web-tjenerens administrator mågarantererenodenavnets nettadresse over en gitt periode

lokale navnetjenere


Tjenestekvalitet (QoS – Quality of service)Kvalitetsparametre

Pålitelighet

Overføringskapasitet

Forsinkelse

…

Ulike anvendelser har ulike behov!Eksempler:

Overføring av tekst (forsinkelse OK, pakketap ikke OK)

Videostreaming (Bufrer hos mottaker – forsinkelse og pakketap er OK)

Toveis telefoni (Tåler bare små forsinkelser -> linjesvitsjing eller pakkesvitsjing med garantert QoS)


Hvordan bedre tjenestekvalitet?

Overdimensjonering av båndbredde

Trafikkprioritering

Optimalisering av pakkehåndtering i nodene


IPv6 vs. IPv4

Adresserom øket fra 32 bit til 128 bit-> gir mulighet for 1500 IP-objekter pr m2 på jordens overflate

Ryddigere IP-adresser – kortere ruting-tabeller

Enklere (automatisert) tildeling av IP-adresser

Innføring av tjenesteklasser-> mer effektiv behandling i nettverket-> prioritering mulig

Sikkerhetsmekanismer

IPv6 kan samkjøres med IPv4


OppsummeringLagdelte protokoller er sentrale i datakommunikasjonFysiske overføringsmedier

Ledningsbundet samband: Elektriske kabler, fiberoptiskekablerTrådløse samband: Radio, infrarødt

Multipleksing gir flere kanaler på samme fysiske samband:Tidsdeling, frekvensmodulasjonPoint-to-point-forbindelserLokalnett: Ethernet, Token Ring, …Fjernnett: Pakkesvitsjing, meldingssvitsjing, linjesvitsjingSammenkoblingsutstyr: Repeatere, svitsjer, rutere og “gateways”Lokalnett knyttes til fjernnett med rutere eller ”gateways”Adressering av maskiner – OUI/MAC, IP, DNSTjenestekvalitet – ulike anvendelser har ulike behov

Documents

Datakommunikasjon Kommunikasjonsprogrammer – såkalte ...folk.uio.no/inf1040/foiler2004/datakommunikasjon.pdf · Buss-topologi Adressering ved hjelp av Ethernet-adresser OUI (Organizationally