Upload
others
View
3
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
Uvod 1-1
Računarske mreže(napredni kurs)
SPR
Prof.dr Igor Radusinović
All material copyright 1996-2007J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved
Uvod 1-2
O čemu se radi?
Kurs u računarskim mrežama (napredni kurs) nudi:
Sistematizaciju znanja stečenih o principima na kojima počivaju računarske mreže
upoznavanje Internet arhitekture/protokola na osnovnom nivou
Ovladavanje osnovnim analitičkim mehanizmima za opisivanje pojava na Internetu
Ciljevi Podići znanje iz računarskih mreža na viši nivo
Stvaranje uslova za aktivno učešće polaznika u budućem razvoju Interneta
2
Uvod 1-3
Informacije o kursu
Kome je namijenjen kurs? Dodiplomskim studentima telekomunikacija i računara, kao i
studentima specijalističkih studija na SPR Šta je poželjno znati od ranije?
Osnove telekomunikacija, programiranje, operativni sistemi ILI Računarske mreže, Poslovne računarske mreže, Internet tehnologije
Materijali kursa: Prezentacije urađene od strane autora knjige: Computer Networking:
A Top Down Approach Featuring the Internet, J. Kurose & Keith Ross, Addison Wesley, 4th edition, 2008 ili
Umrežavanje računara: Od vrha do dna sa Internetom u fokusu, J. Kurose & Keith Ross, Addison Wesley, prevod trećeg izdanja, CET Computer Equipment and trade, 2005
WWW Zabilješke sa predavanja
Uvod 1-4
Informacije o kursu (više)
Rad broj % ocjene
Kolokvijum 2 50%
Završni ispit 1 50%
Način polaganja:
3
Uvod 1-5
Pregled kursa:
Pripremna nedjelja
I nedjelja
II nedjelja
III nedjelja
IV nedjelja
V nedjelja
VI nedjelja
VII nedjelja
VIII nedjelja
IX nedjelja
X nedjelja
XI nedjelja
XII nedjelja
XIII nedjelja
XIV nedjelja
XV nedjelja
XVI nedjelja
Završna nedjelja
XVIII-XXI nedjelja
Priprema i upis semestra
Uvod u računarske mreže.
Principi protokola nivoa aplikacije. HTTP. FTP.
SMTP. DNS
Principi protokola nivoa transporta. Nekonektivni transportni servis (UDP)
Konektivni transportni servis (TCP).
TCP kontrola zagušenja. TCP kontrola protoka
Slobodna nedjelja
Prvi kolokvijum
Nivo mreže i rutiranje. Nekonektivni mrežni servis (IP)
Rutiranje na Internetu
Dijkstra i Bellman-Fordov algoritmi.
Drugi kolokvijum
Nivo linka i lokalne računarske mreže. Kontrola greške.
Ethernet
Bežične računarske mreže
Završni ispit
Ovjera semestra i upis ocjena.
Dopunska nastava i popravni ispitni rok.
Uvod 1-6
Glava 1: Uvod
Zadatak: Shvatiti kontekst,
pregled, “osjetiti” računarsku mrežu
dublje, detaljnije kasnije
pristup:
opisni
korišćenje Interneta kao primjera
Pregled: Šta je Internet
Šta je protokol?
Ivica mreže (network edge)
Okosnica mreže (network core)
Pristupna mreža (access network), fizički medijum
Internet/ISP struktura
Performanse: gubitak, kašnjenje i propusnost
Višenivovska arhitektura, mrežni protokoli, modeli servisa
4
Uvod 1-7http://www.caida.org/research/topology/as_core_network/
Uvod 1-8
Šta je Internet?
Iz čega se sastoji Internet u fizičkom smislu?
Milioni povezanih (umreženih) računarskih uređaja: hostovi=krajnji sistemi PC radne stanice, serveri
Mobilni telefoni, PDA, ....
izvršavaju mrežne aplikacije
Komunikacioni linkovi Optičko vlakno, bakarna parica,
radio kanal
Brzina prenosa= opseg (bandwith)
ruteri: prosleđivanje paketa između različitih mreža
Rezidencijalna mreža
Kompanijska mreža
Mobilna mreža
Globalni ISP
Regionalni ISP
5
Uvod 1-9
Iz čega se sastoji Internet u logičkom smislu?
protokoli kontrolišu slanje i prijem poruka npr, TCP, IP, HTTP, FTP, PPP
Internet: “mreža svih mreža” Labava hijerarhija
Javni Internet vs. privatniintranet
Internet standardi RFC: Request for comments
IETF: Internet Engineering Task Force
Šta je Internet?
Rezidencijalna mreža
Kompanijska mreža
Mobilna mreža
Globalni ISP
Regionalni ISP
Uvod 1-10
Šta je Internet (sa stanovišta usluge)? Komunikaciona infrastruktura
koja omogućava distribuiraneaplikacije:
Web, email, igrice, e-commerce, baze podataka, glasanje, file (MP3) sharing
Komunikacioni servisi koji su na raspolaganju aplikacijama:
Pouzdan prenos podataka od izvora do destinacije
“best effort” (nepouzdana) predaja podataka
6
Uvod 1-11
Šta je protokol?ljudski protokoli: “Koliko je sati?” “Imam pitanje” “Mogu li da
odgovaram za 10?” Ima li skaliranja? Upoznavanje
… šalju se posebne poruke
… rade se različite stvari kada poruka stigne
mrežni protokoli: Između mašina Sve komunikacione
aktivnosti na Internetu definišuprotokoli
Protokoli definišu format, redosled poslatih i
primljenih poruka izmeđumrežnih entiteta, i akcije koje se sprovode nakon prijema poslatih poruka
Uvod 1-12
Detaljniji pogled na mrežnu strukturu
Mrežna ivica:aplikacije i hostovi
Mrežna okosnica:međupovezani
ruterimreža povezanih
mreža Pristupna mreža,
fizički medijum:komunikacioni linkovi (žični i bežični)
7
Uvod 1-13
Ivica mreže: Krajni sistemi (hostovi):
izvršavaju aplikativne programe
npr. Web, email na “ivici mreže”
klijent/server model klijent host zahtijeva, dobija
servis od “uvijek dostupnog” servera
npr. Web browser/server; email client/server
peer-peer (P2P) model: minimalno (ili ne) korišćenje
dodijeljenih servera npr. Skype, BitTorrenth
hibridni modeli
klijent/server
peer-peer
Uvod 1-14
Ivica mreže: konektivni servis (connection-oriented)
Cilj: prenos podataka između krajnjih sistema
Rukovanje “handshaking”:uspostavljanje (priprema za) prenos podataka u budućnosti
Dobar dan, Dobar danljudski protokol
uspostavljanje “stanja”dva komunicirajuća hosta
TCP - Transmission Control Protocol
Internet konektivni servis
TCP servis [RFC 793] Pouzdan, redosledan
prenos podataka (u bajtovima) gubici: potvrde i
retransmisije
Kontrola protoka: Pošiljalac ne smije zatrpati
prijemnika
Kontrola zagušenja: Pošiljalac “usporava slanje”
kada je mreža zagušena
8
Uvod 1-15
Ivica mreže: nekonektivni servis (connectionless)
Cilj: prenos podataka između krajnjih sistema Isto kao i prije!
UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: Internet nekonektivni servis Nepouzdani prenos podataka Nema kontrole protoka Nema kontrole zagušenja
Aplikacije koje koriste TCP:
HTTP (Web), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP (email)
Aplikacije koje koriste UDP:
streaming media, telekonferencija, DNS, Internet telefonija
Aplikacije koje koriste i TCP i UDP:
Skype,…
Uvod 1-16
Pristupne mreže i fizički medijum
Pitanje: Kako povezati krajnji sistem na edge ruter?
Rezidencijalne pristupne mreže Institucionalne pristupne mreže
(škole, kompanije) Mobilne pristupne mreže
Obrati pažnju kapacitet (b/s) pristupne mreže? zajednički ili dodijeljeni?Popularni pristupi Dial-up modem DSL Kablovska Bežični pristup (GPRS, EDGE,
UMTS, WLAN, WiMAX,...)
9
Uvod 1-17
Fizički medijum
Bit: prenosi se prekopredajne/prijemne parice
fizički link: između predajnika i prijemnika
“vođeni” medijum: Signali se prenose preko
čvrstog medijuma: bakar,optičko vlakno, koaksijalac
“ne vođeni” medijum: Signali se prostiru slobodno,
npr., radio
Upredena parica
Dvije izolovane bakarne žice Kategorija 3:
tradicionalne telefonske žice, 10 Mb/s Ethernet
Kategorija 5 : 100Mb/s Ethernet
Kategorija 5e: 1Gb/s Ethernet
Kategorija 6: 10Gb/s Ethernet
Uvod 1-18
Fizički medijum: koaksijalac, optičko vlakno
Koaksijalni kabal: Dva koncentrična
bakarna provodnika
bidirekcioni
Osnovni opseg: jedan kanal na kablu
rani Ethernet
Širokopojasni : više kanala na kablu
HFC
Kabal sa optičkim vlaknima:
Stakleno vlakno prenosi svjetlosne impulse, svaki impuls jedan bit
Rad na visokim brzinama:
Brzi tačka-tačka prenosi (npr., nekoliko 100Gb/s)
Nizak nivo greške: veće rastojanje između ripitera i imunitet u odnosu na elektromagnetni šum
10
Uvod 1-19
Fizički medijum: radio
signal se prenosi elektromagnetnim spektrom
nema fizičke “žice”
bidirekcioni
Efekti propagacije: refleksija
difrakcija
interferencija
Radio link: Zemaljski mikrotalasni (terrestrial
microwave)
npr. kanali do 45 Mb/s
WLAN
2Mb/s, 11Mb/s, 54Mb/s, 600Mb/s
wide-area (npr., celularni)
3G: stotine kb/s
3.5G nekoliko Mb/s
4G (LTE Advanced i IEEE 802.15m): 1Gb/s (DL), 500Mb/s (UL)
satelitski
do 50Mb/s kanal (ili više užih kanala)
270 ms kašnjenje od kraja do kraja
geostacionarni (GEO) vs. niskoorbitni (LEO)?
Uvod 1-20
Okosnica mreže
Skup međupovezanih rutera
Fundamentalno pitanje: kako se podaci prenose mrežom?
Komutacija kola (circuit switching): svakoj komunikaciji se dodjeljuju telekomunikacioni resursi od kraja do kraja tokom čitavog njenog trajanja
Komutacija paketa (packet-switching): poruke se šalju preko mreže u djelovima (paketima) iz kojih se na destinaciji rekonstruiše poruka
11
Uvod 1-21
Okosnica mreže: Komutacija kola
Resursi od kraja do kraja se rezervišu za “poziv”
Kapacitet linka, kapacitet komutiranja
Dodijeljeni resursi: nema dijeljenja
Garantovane performanse
Zahtijeva se uspostavljanje poziva
Uvod 1-22
Okosnica mreže: Komutacija kola
Mrežni resursi (npr., kapacitet) su podijeljeni na “djeliće”
Djelići se dodjeljuju pojedinačnim komunikacijama
Djelić resursa je slobodan ako ga ne koristi neka komunikacija (nema dijeljenja resursa)
Dijeljenje kapaciteta linka na “djeliće”
Frekvencijski multipleks
Vremenski multipleks
Kodni multipleks
Prostorni multipleks
Ortogonalni frekvencijski multipleks
…
12
Uvod 1-23
Komutacija kola: FDMA and TDMA
FDMA (Frekvencijski multipleks)
frekvencija
vrijeme
TDMA (Vremenski multipleks)
frekvencija
vrijeme
4 korisnika
Primjer:
Uvod 1-24
Okosnica mreže: Komutacija paketa
Svaka komunikacija od kraja do kraja se dijeli na pakete
paketi korisnika A, B dijele mrežne resurse
Svaki paket koristi kompletan kapacitet linka
Resursi se koriste kada su
potrebni
Kolizija oko resursa: Suma zahtijevanih resursa
može preći nivo dostupnih resursa
Zagušenje: redovi čekanja paketa, koji čekaju na korišćenje linka
Uskladišti i proslijedi (store & forward): paketi se pomjeraju za jedan “hop” u intervalu vremenu
Prenos preko linka
Čekanje na sledeći link
Podjela kapaciteta na “djeliće”
Dodjela resursa
Rezervacija resursa
13
Uvod 1-25
Komutacija paketa: StatističkoMultipleksiranje
Sekvence paketa korisnika A & B nemaju fiksan sadržaj statističko multipleksiranje.
U vremenskom multipleksu svaki host dobija isti slot u okviru vremenskog multipleksa.
A
B
C1Gb/sEthernet
100Mb/s
D E
Statističko multipleksiranje
Red čekanja paketa koji čekaju na izlazni link
Uvod 1-26
Komutacija poruka: uskladišti i proslijedi (store-and-forward)
L/R sekundi je potrebno da se prenese (“ugura”) porukaveličine L bita na link čija je brzina prenosa R b/s
Čitava poruka mora doći na ruter prije nego što se ona proslijedi na sledeći link: store and forward
kašnjenje = 3L/R (ako se zanemari vrijeme propagacije
Primjer: L = 10 Mb R = 2 Mb/s kašnjenje = 15 sec
R R R
L
14
Uvod 1-27
Komutacija paketa vs. komutacija kola
1 Mb/s link svaki korisnik:
100 kb/s kada je “aktivan” aktivan 10% vremena
Komutacija kola: 10 korisnika
Komutacija paketa: Sa 35 korisnika,
vjerovatnoća da je više od> 10 aktivnih manja od .0004
Komutacija paketa dozvoljava većem broju korisnika da koriste mrežu!
N korisnika
1 Mb/s link
Uvod 1-28
Komutacija paketa vs. komutacija kola
Odlična za “sporadične” (bursty) podatke
zajedničko korišćenje resursa
jednostavnija, nema uspostavljanja poziva
Prekomjerno zagušenje: kašnjenje paketa i gubici
potrebni su protokoli za pouzdani prenos podataka i kontrolu zagušenja
Pitanje: Kako postići performanse nivoa komutacije kola?
garantovan kapacitet za potrebe audio/video aplikacija je problem koji još uvijek nije riješen!
Jeli komutacija paketa “pobjednik”?
15
Uvod 1-29
Mreže sa komutacijom paketa: prosleđivanje Cilj: pomjeranje paketa unutar rutera od izvora do
destinacije razmatraćemo kasnije više algoritama za selekciju puta
(rutirajućih algoritama)
Datagram mreža: adresa destinacije u paketu određuje naredni hop (skok)
rute se mogu mijenjati tokom sesije
analogija: vožnja, traženje informacije o željenom pravcu
Mreža virtuelnih kola: Svaki paket nosi “etiketu” tzv.tag (ID virtuelnog kola), tag
određuje naredni hop
Fiksna putanja se određuje prilikom uspostavljanja poziva, i ostaje nepromijenjena do kraja sesije
ruteri održavaju “per-call” stanje
Uvod 1-30
Struktura Interneta: mreža svih mreža
ISP-i trećeg reda (“Tier-3” ) ili lokalni ISP-i (local ISP) poslednji hop (“pristup”) mreže (najbliže krajnjim sistemima)
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier-2 ISPTier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
lokalniISPlokalni
ISPlokalniISP
lokalniISP
lokalniISP Tier 3
ISP
lokalniISP
lokalniISP
lokalniISP
Lokalni i tier-3 ISP-i su korisnici ISP-a većeg reda preko kojih se povezuju na ostatak Interneta
16
Uvod 1-31
Struktura Interneta: mreža svih mreža
paket se prenosi preko mnogo mreža!
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier-2 ISPTier-2 ISP
Tier-2 ISP Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
lokalniISPlokalni
ISPlokalniISP
lokalniISP
lokalniISP Tier 3
ISP
lockalniISP
lokalniISP
lokalniISP
Uvod 1-32
17
Uvod 1-33
Kako nastaju gubici i kašnjenje?
Paketi se smještaju u red čekanja (queue) u baferima rutera
Dolazna brzina paketa prevazilazi kapacitet odlaznog linka
Paketi čekaju na slanje
A
B
paket se prenosi (kašnjenje)
Paketi čekaju (kašnjenje)
slobodni (dostupni) baferi: dolazni paketi se odbacuju(gube) ako nema slobodnih bafera
Uvod 1-34
Četiri izvora kašnjenja paketa
1. obrada u čvorištu: Provjera greške na bitu Utvrđivanje odlaznog linka …
A
B
Propagacija
Prenos
Obrada u čvorištu Čekanje
2. Čekanje Vrijeme čekanja za prenos
na odlaznom linku
Zavisi od nivoa zagušenosti rutera
…
18
Uvod 1-35
Kašnjenje u mrežama sa komutacijom paketa
3. Kašnjenje uslijed prenosa:
R=kapacitet linka (b/s)
L=veličina paketa (bit)
Vrijeme slanja jednog paketa po linku = L/R
4. Kašnjenje uslijed propagacije:
d = dužina fizičkog linka s = brzina prostiranja po
medijumu (~2x108 m/sec)
Kašnjenje uslijed propagacije= d/s
A
B
Propagacija
Prenos
Obrada učvorištu Čekanje
Napomena: s i R su dvije različite veličine
Uvod 1-36
Analogija sa karavanom vozila
Vozila se “prostiru” brzinom od 100 km/h
Naplatne rampe naplaćuju taksu za 12 s (vrijeme prenosa)
vozilo~bit; karavan ~ paket
Pitanje:Koliko je potrebno da se karavan “postroji” ispred druge naplatne rampe?
Vrijeme da se “gurne” kompletan karavan kroz naplatnu stanicu na auto putu je 12*10 = 120 sec
Vrijeme da poslednje vozilopređe od prve do druge naplatne rampe: 100km/(100km/h)= 1 h
Odgovor: 62 minuta
Naplatna rampa
Naplatnarampa
Karavan od 10 auta
100 km 100 km
19
Uvod 1-37
Analogija sa karavanom (nastavak)
Vozila se sada“prostiru” brzinom od 1000 km/h
Naplatnoj stanici treba 1 min da naplati taksu
Pitanje: Da li će vozila vozila stići do druge naplatne stanice prije nego što se sva vozila ne obrade na prvoj?
Da! Poslije 7 min, prvo vozilo će biti na drugoj naplatnoj rampi dok će još uvijek 3 vozila čekati na prvoj.
Prvi bit paketa može stići do narednog rutera prije nego što je čitav paket prenesen preko prvog rutera!
Pogledati Ethernet applet!!!
Naplatna rampa
Naplatnarampa
Karavan od 10 auta
100 km 100 km
Uvod 1-38
Kašnjenje u čvorištu
dproc = vrijeme obrade tipično nekoliko mikrosekundi ili manje
dqueue = kašnjenje uslijed čekanja zavisi od zagušenja
dtrans = kašnjenje uslijed prenosa = L/R, značajno na linkovima malih kapaciteta
dprop = vrijeme propagacije nekoliko mikrosekundi do nekoliko stotina milisekundi
proptransqueueprocnodal ddddd
20
Uvod 1-39
Kašnjenje uslijed čekanja
R=kapacitet linka (b/s)
L=veličina paketa (bit)
a=srednja dolazna brzina paketa
Intenzitet saobraćaja = La/R
La/R ~ 0: srednje kašnjenje uslijed čekanja je malo
La/R -> 1: kašnjenje postaje veliko
La/R > 1: više saobraćaja “dolazi” nego što može da “ode”, srednje kašnjenje je beskonačno!
Srednje kašnjenje
uslijed čekanja
Uvod 1-40
“Realna” Internet kašnjenja i rute
Kako izgledaju “realna” Internet kašnjenja & gubici?
Traceroute: daje mjerenja kašnjenja od izvora do rutera duž Internet puta od kraja izvora do kraja do destinacije. Za svako i: šalje tri paketa koji će dostići ruter i na putu do
destinacije ruter i će vratiti paket pošiljaocu pošiljalac mjeri vrijeme između slanja i odgovora.
3 mjerenja
3 mjerenja
3 mjerenja
21
Uvod 1-41
Gubitak paketa
Red čekanja (bafer) ima konačan kapacitet
Kada paket dođe do popunjenog reda čekanja paket se odbacuje (gubitak)
Izgubljeni paket se može ponovo poslati od strane prethodnog čvora, ili izvorišnog krajnjeg sistema ili se ponovo ne šalje
A
B
paket je poslat
paket dolazi na punibafer i biva izgubljen
bafer (prostor za čekanje)
Uvod 1-42
Propusnost
propusnost: brzina (b/s) kojom se biti prenose od pošiljaoca do destinacije trenutna: brzina u posmatranom trenutku
srednja: prosječna brzina tokom dužeg intervala
server, sa fajlomveličine F bita, koji
se šalje klijentu
Kapacitet linkaRs b/
Kapacitet linkaRc b/s
cijev prenosi“fluid” brzinom
Rs b/s)
cijev prenosi“fluid” brzinom
Rc bits/sec)
server šalje bite(fluid) u cijev
22
Uvod 1-43
Propusnost (više)
Rs < Rc Koliko iznosi srednja propusnost od kraja do kraja?
Rs b/s Rc b/s
Rs > Rc Koliko iznosi srednja propusnost od kraja do kraja?
Rs b/s Rc b/s
link koji ograničava propusnost
“bottleneck” link
Uvod 1-44
Propusnost: Internet scenario
10 konekcija na fer način dijele “bottleneck” link okosnice
kapaciteta R b/s
Rs
Rs
Rs
Rc
Rc
Rc
R
Propusnost po konekciji:min(Rc,Rs,R/10)
U praksi: Rc ili Rs je obično “bottleneck”
23
Uvod 1-45
Internet arhitektura
Aplikacija: podržava mrežne aplikacije FTP, SMTP, STTP
Transport: host-host prenos podataka TCP, UDP
Mreža: rutiranje datagrama od izvora do destinacije Internet Protocol (IP), rutirajući
protokoli
Link : prenos podataka između susjednih mrežnih elemenata PPP, Ethernet
Fizički: biti “po žici”
Nivo aplikacije
Nivo transporta
Nivo mreže
Nivo linka
Fizički nivo
Uvod 1-46
ISO/OSI referentni model
prezentacija: dozvaljava aplikacijama razumijevanje značenja podataka, npr., enkripcije, kompresija,...
Sesija: sinhronizacija, oporavak razmjene podataka,...
Internet nema ove nivoe!
Ovi servisi ako su potrebni se implementiraju unutar nivoa aplikacije
Nivo aplikacije
Nivo prezentacije
Nivo sesije
Nivo transporta
Nivo mreže
Nivo linka
Fizički nivo