računarske mreže (napredni kurs) - ivan drakic · pdf fileračunarske mreže, poslovne...
TRANSCRIPT
1
Uvod 1-1
Računarske mreže(napredni kurs)
SPR
Prof.dr Igor Radusinović
mr Uglješa Urošević
All material copyright 1996-2012J.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 specijalističkih studija na SPR
� Šta je poželjno znati od ranije?❍ 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, 6th edition, 2012
❍ 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)� Performanse: gubitak, kašnjenje i
propusnost� Višenivovska arhitektura, mrežni
protokoli, modeli servisa
4
Uvod
Šta je Internet?�Milioni povezanih
računara: ❍host = krajnji sistem
❍Izvršavaju mrežne apliakcije
� Komunikacioni linkovi� Optika, bakar, radio,
satelit� Brzina prenosa:
bandwidth
� Komutatori paketa: prosleñuju pakete (djelove poruka)
� ruteri i komutatori
Žični linkovi
Bežični linkovi
ruter
Mobilna mreža
globalni ISP
regionalni ISP
Kučna mreža
Kompanijska mreža
smartphone
PC
server
wirelesslaptop
1-7
Uvod 1-8
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
Mobilna mreža
globalni ISP
regionalni ISP
Kučna mreža
Kompanijska mreža
Šta je Internet?
5
Uvod 1-9
� Komunikaciona infrastrukturakoja omogućava distribuiraneaplikacije:
❍ Web, email, igrice, e-commerce, baze podataka, društvene mreže, file (MP3) sharing
� Omogućava pragramabilni interfejs do aplikacija
❍ “veza” koja omogućava aplikacijama da šalju i primaju podatke sa Interneta
❍ Omogućava opcije servisa, analogne poštanskom servisu
Mobilna mreža
globalni ISP
regionalni ISP
Kučna mreža
Kompanijska mreža
Šta je Internet sa stanovišta usluge?
Uvod 1-10
Šta je protokol?ljudski protokoli:� “Koliko je sati?”� “Imam pitanje”� “Mogu li da
odgovaram za 10?”� Ima li skaliranja?� Upoznavanje
… šalju se posebne poruke
… izvršavaju se različite akcije 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
6
Uvod 1-11
Detaljniji pogled na mrežnu strukturu
�Mrežna ivica:aplikacije i hostovi (klijenti i serveri)�Mrežna okosnica:
❍ međupovezani ruteri
❍ mreža povezanih mreža
� Pristupna mreža,fizički medijum:komunikacioni linkovi (žični i bežični)
Mobilna mreža
globalni ISP
regionalni ISP
Kučna mreža
Kompanijska mreža
Uvod 1-12
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?
7
Uvod
Pristupna mreža: digital subscriber line (DSL)
centrala
ISP
Telefonskamreža
DSLAM
Govor i podaci se prenose na različitimfrekvencijama preko dodijeljene
telefonske linije do centrale
� koristi postojeću telefonsku liniju do DSLAM u telefonskoj centrali
� Podaci se preko DSL linije prenose do Interneta
� Govor se preko DSL linije prenosi do telefonske mreže
� < 2.5 Mb/s brzina prenosa na upstream-u (tipično < 1 Mb/s)
� < 24 Mb/s brzina prenosa na downstream-u (tipično < 10 Mb/s)
DSLmodem
splitter
DSL pristupnimultiplekser
1-13
Introduction
Pristupna mreža: kućna mreža
Do ili od telefonske centrale
DSL modem
ruter, firewall, NAT
žični Ethernet (100 Mb/si više)
Bežična pristupna tačka
(54 Mb/s)
Bežičniuređaji
Obično u jednom uređaju
1-14
8
Introduction
Kompanijska pristupna mreža (Ethernet)
� Kompanije, univerziteti,... � 10 Mb/s, 100Mb/s, 1Gb/s, 10Gb/s brzinr prenosa� Danas se krajnji sistemi tipično povezuju na
Ethernet komutator
Ethernet komutator
Institucionalni mail,web serveri
institucionalni ruter
institucionalni link premaISP (Internet)
1-15
Introduction
Bežične pristupne mreže
� Dijeljeni bežični pristup❍ Preko bazne stanice ili pristupne tačke
wireless LAN:
� Unutar objekata (30m)
� 802.11b/g (WiFi): 11/54 Mb/s brzina prenosa
WAN bežični pristup
� Celularni pristup koji nudi operator, desetine kilometara
� izmeñu1 i10 Mb/s
� 3G, 4G: LTE
prema Internetu
premaInternetu
1-16
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 5 : 100Mb/s
i 1Gb/sEthernet❍ 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� Komutacija paketa (packet-
switching):❍ poruke se šalju preko mreže u
djelovima (paketima) iz kojih se na destinaciji rekonstruiše poruka
❍ Poruke se prosleđuju od rutera do rutera
❍ Svaki paket se prenosi maksimalnom brzinom prenosa koju obezbjeđuje link
11
Uvod
Komutacija paketa: uskladišti i proslijedi
� Potrebno je L/R sekundi da bi se paket veličine L bita prenio na link brzine R b/s
� Uskladišti i proslijedi:kompletan paket mora doći do rutera prije nego što se on proslijedi na naredni link
� Kašnjenje od kraja do kraja= 2L/R
(ako se zanemari kašnjenje uslijed
propagacije)
Primjer:� L = 7.5 Mb� R = 1.5 Mb/s� Kašnjenje uslijed
prenosa= 5 s
1-21
izvorR b/s
destinacija123
Paket veličine
L bita
R b/s
Uvod
Komutacija paketa: kašnjenje u redu čekanja, gubici
A
B
CR = 100 Mb/s
R = 1.5 Mb/sD
ERed čekanja paketa koji čekaju
slobodan link
1-22
Red čekanja i gubici: � Ako je dolazna brzina paketa približna brzini prenosa na linku u
odreñenom intervalu vremena:
� Paketi se smještaju u red čakanja, čekaju na oslobañanje linka
� Paketi se odbacuju ako nema dovoljno memorijskog prostora u baferu
12
Internet struktura: mreža svih mreža
� Krajnji sistemi se povezuju na Internet preko preko ISP-ova (Internet Service Providers)
� Rezidencijalni, kompanijski i univerzitetski ISP-ovi
� Pristupni ISP-ovi moraju biti meñupovezani.
� Tako da se izmeñu bilo koja dva hosta mogu razmjenjivati podaci
� Veoma kompleksna mreža svih mreža
� Evolucija je uzrokovana ekonomskim razlozima i nacionalnim politikama
Pitanja: kako povezati milione postojećih pristupnih ISP-ova?
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
PristupnamrežaPristupna
mreža
Pristupnamreža
Internet struktura: mreža svih mreža
13
Opcijation: povezati svakog sa svakim?
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
PristupnamrežaPristupna
mreža
Pristupnamreža
Neskalabilno rješenje: O(N2) konekcija.
Internet struktura: mreža svih mreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
PristupnamrežaPristupna
mreža
Pristupnamreža
Opcija: povezati sve pristupne ISP na globalni tranzitni ISP? Korisnički ioperatorski ISP imaju ugovoreni odnos.
globalniISP
Internet struktura: mreža svih mreža
14
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
PristupnamrežaPristupna
mreža
Pristupnamreža
ISP je primamljiv biznis što privlači konkurenciju….
ISP B
ISP A
ISP C
Internet struktura: mreža svih mreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
PristupnamrežaPristupna
mreža
Pristupnamreža
Konkurenit moraju biti povezani
ISP B
ISP A
ISP C
IXP
IXP
peering link
Internet exchange point
Internet struktura: mreža svih mreža
15
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
PristupnamrežaPristupna
mreža
Pristupnamreža
… pojavljuju se i regionalni ISP-ovi
ISP B
ISP A
ISP C
IXP
IXP
Regionalna mreža
Internet struktura: mreža svih mreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
Pristupnamreža
PristupnamrežaPristupna
mreža
Pristupnamreža
… i content provider mreže (e.g., Google, Microsoft, Akamai ) grade sopstvene mreže kako bi servise “primakle” korisnicima
ISP B
ISP A
ISP B
IXP
IXP
Regionalna mreža
Content provider mreža
Internet struktura: mreža svih mreža
16
Uvod
� U centru: mali broj veoma dobro povezanih velikih mreža❍ “tier-1” komercijalni ISP-ovi (npr. Level 3, Sprint, AT&T, NTT), nacionalno &
međunarodno pokrivanje
❍ content provider mreža (npr. Google): privatna mreža koja povezuje data centre na Internet, obično zaobilazeći tier-1 i regionalne ISPove
1-31
pristupni ISP
pristupniISP
pristupni ISP
pristupni ISP
pristupni ISP
pristupni ISP
pristupni ISP
pristupni ISP
Regionalni ISP Regionalni ISP
IXP IXP
Tier 1 ISP Tier 1 ISP Google
IXP
Internet struktura: mreža svih mreža
Uvod
Tier-1 ISP: npr. Sprint
…
od/ prema korisnicima
peering
od/prema okosnici
…
………
POP: point-of-presence
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
La/R ~ 0
La/R -> 1
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
B
paket je poslat
paket dolazi na punibafer i biva izgubljen
bafer (prostor za čekanje)A
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/sserver šalje bite
(fluid) u cijev
21
Uvod 1-41
Propusnost (više)� R
s< R
cKoliko iznosi srednja propusnost od kraja do kraja?
� Rs
> Rc
Koliko iznosi srednja propusnost od kraja do kraja?
link koji ograničava propusnost
“bottleneck” link
Rs
b/s Rc
b/s
Rs
bits/sec Rc
bits/sec
Uvod 1-42
Propusnost: Internet scenario
10 konekcija na fer način dijele “bottleneck” link okosnice
kapaciteta R b/s
� Propusnost po konekciji:min(R
c,R
s,R/10)
�U praksi: Rc
ili Rs
je obično “bottleneck”
Rs
Rs
Rs
Rc
Rc
Rc
R
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
23
Uvod
izvor
aplikacijatransport
mrežalink
fizički
HtHn M
segment Ht
datagram
destinacija
aplikacijatransport
mrežalink
fizičkiHtHnHl M
HtHn M
Ht M
M
mrežalink
fizički
linkfizički
HtHnHl M
HtHn M
HtHn M
HtHnHl M
ruter
komutator
Encapsulationporuka M
Ht M
Hn
okvir
1-45
Uvod
2005-danas� ~750 miliona hostova
❍ Pametni telefoni i tableti
� Agresivna implementacija širokopojasnog pristupa� Povećanje sveprisutnosti veoma brzog bežičnog
pristupa� Ekspanzija društvenih mreža:
❍ Facebook: milijarda korisnika
� Provajderi servisa(Google, Microsoft) kreiraju sopstvene mreže❍ zaobilaze Internet, obezbjeđuju “trenutni” pristup
pretraživanju, email,...� E-commerce, univerziteti, kompanije implementiraju
sopstvene servise u “cloud” (npr, Amazon EC2)
Internet danas
1-46