Kapittel 1 Computer Networks and the Internet Computer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 3rd edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July 2004. Slides adapted from the slides accompanying the book of Kurose & Ross. Copyright 1996-2004 J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Norsk versjon: © Christian F Heide, 2004. Kapittel 1

Kapittel 1 1.1 What is the Internet? 1.2 Network edge 1.3 Network core 1.4 Network access and physical media 1.5 Internet structure and ISPs 1.6 Delay & loss in packet-switched networks 1.7 Protocol layers, service models 1.8 History Kapittel 1

Hva er Internett: utstyrsperspektiv millioner av tilknyttede enheter: vertsmaskiner, endesystemer PCer, arbeidsstasjoner, servere PDAer, telefoner, brødristere som kjører nettverks-applikasjoner kommunikasjonslinker fiber, kobber, radio, satellitt overføringsrate = båndbredde rutere: videresender pakker (klædder med data) lokal ISP bedrifts- nett regional ISP ruter arbeidsstasjon server mobilt utstyr Kapittel 1

Hva er Internett: utstyrsperspektiv lokal ISP bedrifts- nett regional ISP ruter arbeidsstasjon server mobilt utstyr protokoller som styrer sending og mottak av meldinger f eks TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internett: “nett av nettverk” hierarkisk (på et vis) Internet versus private intranett Internettstandarder RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force Kapittel 1

Hva er Internett: tjenesteperspektiv kommunikasjons- infrastruktur som muliggjør distribuerte applikasjoner: Web, e-post, spill, e-handel, databaser, avstemming, fil-deling (MP3) kommunikasjonstjenester for applikasjoner: forbindelsesløse forbindelsesorienterte Kapittel 1

Hva er en protokoll? menneskelige protokoller: “hva er klokken?” “Jeg har et spørsmål” presentasjoner … spesifikke meldinger sendes … spesifikke handlinger utføres på bakgrunn av mottatte meldinger eller andre hendelser nettverksprotokoller: maskiner istedenfor mennesker all kommunikasjon på Internet styres av protokoller protokoller definerer format og rekkefølge av meldinger, og handlinger som skal utføres ved mottak av ulike meldinger Kapittel 1

Hva er en protokoll? En menneskelig protokoll og en nettverksprotokoll: Hei TCP connection req Hei TCP connection response Hva er klokka? Get http://www.aw.com/kurose-ross 12:00 <fil> tid Kapittel 1

Kapittel 1 – hvor er vi? 1.1 What is the Internet? 1.2  Network edge 1.3 Network core 1.4 Network access and physical media 1.5 Internet structure and ISPs 1.6 Delay & loss in packet-switched networks 1.7 Protocol layers, service models 1.8 History Kapittel 1

Nettverksstrukturen i Internett nettverkets kant: applikasjoner og maskiner (hosts) nettverkets kjerne: rutere et nettverk av nettverk aksessnett, fysiske medier: kommunikasjonslinker Kapittel 1

Nettverkets kant: endesystemer (maskiner, hosts): klient/tjener modell kjører applikasjoner f.eks. web og e-post i “utkanten” av nettet klient/tjener modell klientmaskin forespør og mottar tjenester fra tjener (server) f. eks. nettleser/webtjener og e-post klient/tjener peer-peer modell: minimal (eller ingen) bruk av dedikerte tjenere f.eks. Gnutella, KaZaA Kapittel 1

Netteverkets kant: forbindelsesorienterte tjenester Mål: dataoverføring mellom endesystemer håndhilsing (handshaking): forbereder endesystemene på dataoverføringen Tilsvarer hilsingen i den menneskelige protokollen TCP - Transmission Control Protocol Internetts forbindelsesorienterte tjeneste TCP-tjeneste [RFC 793] pålitelig, i-rekkefølge byte-strøm overføring tap håndteres ved kvitteringer og retransmisjoner flytkontroll: sender skal ikke oversvømme mottaker metningskontroll: sendere justerer ned dataraten når nettet blir mettet Kapittel 1

Nettverkets kant: forbindelsesløse tjenester Mål: dataoverføring mellom endesystemer samme som i stad UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: forbindelsesløs upålitelig data-overføring ingen flytkontroll ingen metningskontroll Appl. som bruker TCP: HTTP (Web), FTP (fil-overføring), Telnet (remote login), SMTP (e-post) Appl. som bruker UDP: media streaming, DNS, Internettelefoni Kapittel 1

Kapittel 1 – hvor er vi? 1.1 What is the Internet? 1.2 Network edge 1.3  Network core 1.4 Network access and physical media 1.5 Internet structure and ISPs 1.6 Delay & loss in packet-switched networks 1.7 Protocol layers, service models 1.8 History Kapittel 1

Nettverkets kjerne “maskenett” av sammenkoblede rutere grunnleggende spørsmål: hvordan overføres data gjennom nettet? linjesvitsjing: dedikert linje per “samtale”: telefonnett pakkesvitsjing: data sendes gjennom nettet i klæddær (“pakker”) Kapittel 1

Kjernenettet: Linjesvitsjing Reservering av ressurser ende til ende for en forbindelse båndbredde, kapasitet i svitsj Dedikerte ressurser: ingen deling Garantert ytelse Krever oppsett av forbindelse Kapittel 1

Kjernenettet: Linjesvitsjing nettressursene (f.eks. båndbredden) deles i “biter” biter tildeles ulike forbindelser ressursbit ligger ubrukt hvis den ikke brukes av forbindelsen som eier den (ingen deling med andre) deling av en links båndbredde i “biter” frekvensdeling (FDMA) tidsdeling (TDMA) Kapittel 1

Linjesvitsjing: FDMA og TDMA 4 brukere Eksempel: FDMA frekvens tid TDMA frekvens tid Two simple multiple access control techniques. Each mobile’s share of the bandwidth is divided into portions for the uplink and the downlink. Also, possibly, out of band signaling. As we will see, used in AMPS, GSM, IS-54/136 Kapittel 1

Talleksempel Hvor lang tid tar det å sende en fil på 640 000 bit fra maskin A til maskin B over et linjesvitsjet nett? Alle linker er på 2 048 kb/s (= 2 Mb/s) Hver link bruker TDM med 32 tidsluker Det tar 500 ms å etablere ende-til-ende forbindelsen Regn! Kapittel 1

Kjernenett: Pakkesvitsjing hver ende til ende datastrøm deles opp i pakker flere forbindelsers pakker deler nettressurser hver pakke bruker hele båndbredden til linken ressurser benyttes etter behov kamp om ressursene: summen av ressurs-behovene kan overskride det som er tilgjengelig metning: pakker må ligge i kø og vente på å bli sendt “store and forward”: pakker forflytter seg ett hopp om gangen En node mottar hele pakken før pakken videresendes Oppdeling av båndbredden i “biter” Dedikert tildeling Reservering av ressurser Kapittel 1

Pakkesvitsjing: Statistisk multipleksing 10 Mb/s Ethernet C A statistisk multipleksing 1.5 Mb/s B Kø av pakker som skal sendes D E Ikke fast pakkemønster  statistisk multipleksing. Kapittel 1

Pakkesvitsjing vs. linjesvitsjing Pakkesvitsjing tillater flere brukere om gangen! 1 Mb/s link hver bruker: 100 kb/s når “aktiv” aktiv 10% av tiden linjesvitsjing: 10 brukere pakkesvitsjing: med 35 brukere er sannsynligheten for at flere enn 10 er aktive samtidig, mindre enn 0.0004 N brukere 1 Mb/s link Kapittel 1

Pakkesvitsjing vs. linjesvitsjing Er pakkesvitsjing alltid best? Bra for data som kommer i skurer (“bursty”) ressursdeling enklere, trenger ikke samtaleoppsett Kan få metning: opphav til pakkeforsinkelse og pakketap kan bruke protokoller som håndterer dette Kapittel 1

Pakkesvitsjing: “store-and-forward” L R R R Det tar L/R sekunder å sende ut en pakke på L bit på en link på R b/s Hele pakken må ha ankommet ruteren før den kan videresendes: store and forward forsinkelse = 3*(L/R) Eksempel: L = 7.5 Mb R = 1.5 Mb/s L/R = 5 s D (forsinkelse) = 15 s Kapittel 1

Pakkesvitsjing: Segmentering av meldinger Deler meldingen i 5000 pakker Hver pakke på 1500 b L/R = 1500 b / 1.5 Mb/s = 1 ms for utsendelse av en pakke på en link Kan videresende denne straks den er ankommet Totalforsinkelse redusert fra 15 s til 5.002 s http://media.pearsoncmg.com/aw/aw_kurose_network_2/applets/message/messagesegmentation.html Kapittel 1

Pakkesvitsjede nett: videresending (forwarding) datagram: mottakeradressen i pakken bestemmer neste hopp Ruten kan endre seg under en sesjon virtuell forbindelse (virtual circuit, VC): Hver pakke inneholder en merkelapp (“tag”, virtual circuit ID), tag bestemmer neste hopp Fast sti bestemmes før man sender data Kapittel 1

Nettverkstaksonomi (Taksonomi: systematikk, klassifisering; inndeling i kategorier) Telekommunikasjons- nett Linjesvitsjede nett FDM TDM Pakkesvitsjede nett Virtuell forbindelse Datagram- Datagram-nett er ikke enten forbindelsesorienterte eller forbindelsesløse. Eksempel: Internett som er datagram-nett, har både forbindelsesorienterte (TCP) og forbindelsesløse (UDP) tjenester. Kapittel 1

Kapittel 1 – hvor er vi? 1.1 What is the Internet? 1.2 Network edge 1.3 Network core 1.4  Network access and physical media 1.5 Internet structure and ISPs 1.6 Delay & loss in packet-switched networks 1.7 Protocol layers, service models 1.8 History Kapittel 1

Aksessnett og fysiske medier Q: Hvordan knytte ende-systemer til kantruter? hjemmenett institusjonsnett (skole, bedrift) mobile aksessnett Ha i mente: aksessnettets båndbredde (bit per sekund) delt eller dedikert? Kapittel 1

Fysiske medier Tvunnet parkabel (Twisted Pair, TP) to isolerte kobbertråder Kategori 3: tradisjo-nelle telefonledninger, 10 Mb/s Ethernet Kategori 5 TP: 100Mb/s Ethernet fysisk link: det som er mellom sender og mottaker som bita vandrer på bølgeledere: signaler vandrer i faste stoffer: kobber, glassfiber frittromstransmisjon: signaler forplanter seg i lufta eller i vakuum Kapittel 1

Fysiske medier: koaks, fiber Fiberoptisk kabel: glassfiber som leder lyspulser, hver puls er et bit høyhastighets-transmisjon: høyhastighets punkt til punkt transmisjon (f. eks., 5 Gb/s) Lav bitfeilrate: repeatere med stor avstand; immun mot elektromagnetisk støy Koaksialkabel: to konsentriske kobber-ledere bidireksjonal (toveis) basisbånd: en kanal på kabelen gammel type Ethernet bredbånd: flere kanaler på kabelen HFC Kapittel 1

Fysiske medier: radio Radiolink-typer: radiolinjer, jordbundet mikrobølge f eks opp til 45 Mb/s kanaler LAN (f eks WaveLAN) 2Mb/s, 11Mb/s wide-area (f eks mobiltlf) f eks 3G: flere hundre kb/s satellitt opp til 50 Mb/s kanaler (eller flere og smalere kanaler) 270 ms ende-til-ende forsinkelse (ulempe!) geosynkrone vs lavbane frittromstransmisjon av elektromagnetisk signal ingen fysisk “tråd” bidireksjonal (toveis) påvirkning av signalet: refleksjon “radioskygge” fra objekter interferens flerveisdempning Kapittel 1

Kapittel 1 – hvor er vi? 1.1 What is the Internet? 1.2 Network edge 1.3 Network core 1.4 Network access and physical media 1.5  Internet structure and ISPs 1.6 Delay & loss in packet-switched networks 1.7 Protocol layers, service models 1.8 History Kapittel 1

Internett struktur: et nettverk av nettverk hierarkisk i sentrum: nivå 1 (tier-1) ISPer (UUNet, Deutsche Telekom, Sprint, AT&T…), nasjonal/internasjonal dekning behandler hverandre som likeverdige NAP Nivå-1 tilbydere sammenknyttes også i “network access points” (NAP) Tier 1 ISP Nivå-1- tilbydere sammen-knyttes (peer) privat Tier 1 ISP Tier 1 ISP Kapittel 1

Nivå 1-ISP: f eks Sprint Sprints stamnett i USA Kapittel 1

Internettstruktur: et nettverk av nettverk Nivå 2-ISPer: mindre (ofte regionale) ISPer knytter seg til en eller flere nivå 1-ISPer, og ofte andre nivå 2-ISPer Nivå 2-ISPer knytter seg sammen (“peerer”) direkte, eller har for-bindelse i NAP Tier 2 ISP Nivå 2-ISP betaler nivå 1-ISP for forbindelse til resten av Internett. Nivå 2-ISP er kunde av nivå 1-ISP Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Kapittel 1

Internettstruktur: et nettverk av nettverk “Nivå-3” ISPer og lokale ISPer siste hopp (“aksess”) nett (nærmest endesystemene) lokal ISP Tier 3 Lokale og nivå- 3 ISPer er kunder av høyere nivå ISPer som knytter dem til resten av Internett Tier 2 ISP Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Kapittel 1

Internettstruktur: et nettverk av nettverk en pakke passerer gjennom mange nett! lokal ISP Tier 3 ISP lokal ISP lokal ISP lokal ISP Tier 2 ISP Tier 1 ISP NAP Tier 1 ISP Tier 1 ISP lokal ISP lokal ISP lokal ISP lokal ISP Kapittel 1

Kapittel 1 – hvor er vi? 1.1 What is the Internet? 1.2 Network edge 1.3 Network core 1.4 Network access and physical media 1.5 Internet structure and ISPs 1.6  Delay & loss in packet-switched networks 1.7 Protocol layers, service models 1.8 History Kapittel 1

Hvordan oppstår pakketap og forsinkelse? pakker står i kø i ruternes buffer ankomstrate overstiger kapasiteten til utgangslinken pakker legges i kø og venter på tur A B pakker sendes ut (forsinkelse) pakker står i kø (forsinkelse) Ledig bufferkapasitet for ankommende pakker. Pakker kastes (pakketap) når det ikke er mer plass. Kapittel 1

Fire kilder til pakkeforsinkelse 1. prosessering i nodene sjekke for bitfeil bestemme utgangslink 2. kø ventetid ved utgangen for å bli sendt avhenger av metnings-grad i ruter (hvor stor trafikken er) A B gangtid sending prosessering i nodene kø Kapittel 1

Fire kilder til pakkeforsinkelse 3. sendeforsinkelse: R = linkens båndbredde (b/s) L = pakkelengde (b) tiden det tar å sende ut en pakke = L/R 4. gangtid: l = lengde på fysisk link v = signalhastighet på mediet (~ 2 · 108 m/s) gangtid = l/v A B gangtid sending prosessering i nodene kø Kapittel 1

Nodeforsinkelse dproc = prosesseringsforinkelse dqueue = køforsinkelse dtrans = sendeforsinkelse dprop = gangtid Kapittel 1

Mer om køforsinkelse R = linkens båndbredde (b/s) L = pakkelengde (b) a = ankomstrate (pakker) trafikkintensitet = La/R La/R ~ 0: liten køforsinkelse La/R -> 1: køforsinkelse blir betydelig La/R > 1: ankomstrate større enn utsendelsesrate; køforsinkelsen går mot uendelig! Kapittel 1

“Real” Internet delays and routes What do “real” Internet delay & loss look like? Traceroute program: provides delay measurement from source to router along end-end Internet path towards destination. For all i: sends three packets that will reach router i on path towards destination router i will return packets to sender sender times interval between transmission and reply. 3 probes 3 probes 3 probes Kapittel 1

“Real” Internet delays and routes traceroute: gaia.cs.umass.edu to www.eurecom.fr Three delay measements from gaia.cs.umass.edu to cs-gw.cs.umass.edu 1 cs-gw (128.119.240.254) 1 ms 1 ms 2 ms 2 border1-rt-fa5-1-0.gw.umass.edu (128.119.3.145) 1 ms 1 ms 2 ms 3 cht-vbns.gw.umass.edu (128.119.3.130) 6 ms 5 ms 5 ms 4 jn1-at1-0-0-19.wor.vbns.net (204.147.132.129) 16 ms 11 ms 13 ms 5 jn1-so7-0-0-0.wae.vbns.net (204.147.136.136) 21 ms 18 ms 18 ms 6 abilene-vbns.abilene.ucaid.edu (198.32.11.9) 22 ms 18 ms 22 ms 7 nycm-wash.abilene.ucaid.edu (198.32.8.46) 22 ms 22 ms 22 ms 8 62.40.103.253 (62.40.103.253) 104 ms 109 ms 106 ms 9 de2-1.de1.de.geant.net (62.40.96.129) 109 ms 102 ms 104 ms 10 de.fr1.fr.geant.net (62.40.96.50) 113 ms 121 ms 114 ms 11 renater-gw.fr1.fr.geant.net (62.40.103.54) 112 ms 114 ms 112 ms 12 nio-n2.cssi.renater.fr (193.51.206.13) 111 ms 114 ms 116 ms 13 nice.cssi.renater.fr (195.220.98.102) 123 ms 125 ms 124 ms 14 r3t2-nice.cssi.renater.fr (195.220.98.110) 126 ms 126 ms 124 ms 15 eurecom-valbonne.r3t2.ft.net (193.48.50.54) 135 ms 128 ms 133 ms 16 194.214.211.25 (194.214.211.25) 126 ms 128 ms 126 ms 17 * * * 18 * * * 19 fantasia.eurecom.fr (193.55.113.142) 132 ms 128 ms 136 ms trans-oceanic link * means no reponse (probe lost, router not replying) Kapittel 1

Pakketap ruternes buffer har begrenset kapasitet dersom pakker ankommer når bufferet er fullt, vil pakken kastes  pakketap tapte pakker vil kunne bli retransmittert (sendt om igjen) av forrige node eller av endesystemet som sendte den Kapittel 1

Kapittel 1 – hvor er vi? 1.1 What is the Internet? 1.2 Network edge 1.3 Network core 1.4 Network access and physical media 1.5 Internet structure and ISPs 1.6 Delay & loss in packet-switched networks 1.7  Protocol layers, service models 1.8 History Kapittel 1

Internett-protokollstack applikasjon (application): støtte for nettverksapplikasjoner FTP, SMTP, HTTP transport: program til program dataoverføring TCP, UDP nettverk (network): ruting av datagram (pakker) fra avsender til mottaker IP, rutingprotokoller link: dataoverføring mellom nettelementer (maskiner) på samme nett PPP, Ethernet fysisk: bit på tråden applikasjon transport nettverk link fysisk Kapittel 1

Hvorfor lagdeling? Fordi kommunikasjon er en kompleks prosess: lagdeling deler prosessen i mindre deler som er enklere å håndtere lagdeling forenkler vedlikehold og oppdatering av systemet endringer i implementasjonen av et lags tjenester er ikke merkbart for resten av systemet Kapittel 1

Lagdeling: logisk kommunikasjon data f eks: transport ta data fra applikasjon sett på adresser og sjekksum for å lage “datagram” send datagram til “peer” vent på at peer kvitterer for mottak analogi: leveranse av brev applikasjon transport nettverk link fysisk transport ack data data transport Kapittel 1

Lagdeling: fysisk kommunikasjon data applikasjon transport nettverk link fysisk nettverk link fysisk applikasjon transport nettverk link fysisk data applikasjon transport nettverk link fysisk applikasjon transport nettverk link fysisk Kapittel 1

Lagdelte protokoller Hvert lag tar data fra laget over og legger på en “header” med informasjon og får således en ny dataenhet videresender dataenheten til laget under avsender mottaker applikasjon transport nettverk link fysisk applikasjon transport nettverk link fysisk M H t n l melding M H t n l segment datagram ramme Kapittel 1

Innkapsling avsender mottaker applikasjon transport nettverk link melding M applikasjon transport nettverk link fysisk segment Ht M datagram Ht Hn M ramme Ht Hn Hl M link fysisk Ht Hn Hl M Ht Hn Hl M svitsj mottaker nettverk link fysisk Ht Hn M Ht Hn M M applikasjon transport nettverk link fysisk Ht Hn Hl M Ht Hn Hl M Ht M Ht Hn M ruter Ht Hn Hl M Kapittel 1

Kapittel 1 – hvor er vi? 1.1 What is the Internet? 1.2 Network edge 1.3 Network core 1.4 Network access and physical media 1.5 Internet structure and ISPs 1.6 Delay & loss in packet-switched networks 1.7 Protocol layers, service models 1.8  History Kapittel 1

ARPANET Kapittel 1

Internetts historie 1961-1972: Utforskning av prinsipper for pakkesvitsjing 1961: Kleinrock benytter køteori til å vise pakke-svitsjingens effektivitet 1964: Baran – pakkesvitsjing i militære nett 1967: ARPAnet unnfanget av Advanced Research Projects Agency 1969: første ARPAnet-node i funksjon 1972: ARPAnet vist offentlig NCP (Network Control Protocol) første host-host protokoll første e-post program ARPAnet har vokst til 15 noder Kapittel 1

Internetts historie 1972-1980: Internetworking, nye og proprietære nett 1970: ALOHAnet - satellitt-nett på Hawaii 1973: Metcalfes doktor-avhandling foreslår Ethernet 1974: Cerf og Kahn – arkitektur for å knytte sammen nett slutten av 70-tallet: proprietære arkitekturer: DECnet, SNA, XNA slutten av 70-tallet : svitsjing av pakker med fast lengde (forløper til ATM) 1979: ARPAnet har 200 noder Cerf og Kahns prinsipper for sammenkobling av nett minimalisme, autonomi – ingen interne endringer skal være påkrevet for å sammenkoble nett “best effort” tjeneste-modell tilstandsløse rutere desentralisert styring definerer dagens Internett- arkitektur Kapittel 1

Internetts historie 1980-1990: utvikling av nye protokoller, kraftig økning i antall nett 1983: TCP/IP 1982: SMTP (e-post) 1983: DNS (over-settelse fra navn til IP-adresse) 1985: FTP (filoverføring) 1988: TCP metnings-kontroll nye nasjonale nett: Csnet, BITnet, NSFnet, Minitel 100,000 maskiner knyttet til “alliansen” av nettverk Kapittel 1

Internetts historie 1990 – 2000: kommersialisering, web, nye applikasjoner tidlig i 1990-åra: ARPAnet nedlagt 1991: NSF fjerner restriksjoner på kommersiell bruk av NSFnet (nedlagt 1995) tidlig i 1990-åra: web hypertekst [Bush 1945, Nelson 1960] HTML, HTTP: Berners-Lee 1994: Mosaic, senere Netscape sent på 1990-tallet: kommersialisering av weben Sent 1990-åra – 2000: nye applikasjoner: instant messaging, peer2peer fildeling (f. eks. KaZaA) nettsikkerhet blant de viktigste aspekter antall tilknyttede maskiner estimert til 50 mill., over 100 millioner brukere stamnett med kapasiteter på noen Gb/s Kapittel 1

Introduksjon: oppsummering Vært innom et tonn med emner! oversikt over Internett hva er en protokoll? nettets kant og kjerne, aksessnett pakkesvitsjing vs linjesvitsjing Internett/ISP struktur ytelse: tap og forsinkelse lagdeling og tjenestemodeller historie Du har nå: kontekst, oversikt, en følelse av hva det dreier seg om større dybde og flere detaljer følger! Kapittel 1