1

Uvod 1-1

Računarske mreže(napredni kurs)

SPR

Prof.dr Igor Radusinović

igorr@ac.me

mr Uglješa Urošević

ugljesa@ac.me

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 % ocjeneKolokvijum 2 50%Završni ispit 1 50%

� Način polaganja:

3

Uvod 1-5

Pregled kursa:

Pripremna nedjelja

I nedjeljaII nedjeljaIII nedjeljaIV nedjeljaV nedjeljaVI nedjeljaVII nedjeljaVIII nedjeljaIX nedjeljaX nedjeljaXI nedjeljaXII nedjeljaXIII nedjeljaXIV nedjeljaXV nedjeljaXVI nedjeljaZavršna nedjeljaXVIII-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 protokaSlobodna nedjeljaPrvi kolokvijumNivo mreže i rutiranje. Nekonektivni mrežni servis (IP)Rutiranje na InternetuDijkstra i Bellman-Fordov algoritmi.Drugi kolokvijumNivo linka i lokalne računarske mreže. Kontrola greške.EthernetBežične računarske mrežeZavršni ispitOvjera semestra i upis ocjena.Dopunska nastava i popravni ispitni rok.

Uvod 1-6

Glava 1: UvodZadatak:� 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. privatni

intranet

� 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 infrastrukturakoja 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 ruteri

❍ mreža 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”

� Arhitekture aplikacije❍ 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 i 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 RL

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 korisnika1 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

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 +++=

19

Uvod 1-37

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 1-38

“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

20

Uvod 1-39

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 1-40

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 linka

Rc

b/scijev prenosi

“fluid” brzinomRs

b/s)

cijev prenosi“fluid” brzinom

Rc

bits/sec)

server šalje bite(fluid) u cijev

21

Uvod 1-41

Propusnost (više)� R

s< R

cKoliko 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 1-42

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(R

c,R

s,R/10)

�U praksi: Rc

ili Rs

je obično “bottleneck”

22

Uvod 1-43

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), rutirajućiprotokoli

� Link : prenos podataka između susjednih mrežnih elemenata

❍ PPP, Ethernet

� Fizički: biti “po žici”

Nivo aplikacije

Nivo transporta

Nivo mreže

Nivo linka

Fizički nivo

Uvod 1-44

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 sesijeNivo transporta

Nivo mreže

Nivo linka

Fizički nivo