Τεχνολογίες Διαδικτύου National Technical University of Athens

Περίληψη Μαθήματος Κεφ 1: Αρχές Διαδικτύου (Internet) Διαστρωμάτωση Πρωτόκολλο IP, διευθυνσιοδότηση Πρωτόκολλα στρώματος μεταφοράς: TCP, UDP Διαδίκτυο επόμενης γενιάς: IPv6 Κεφ 2.1: Πρωτόκολλα Δρομολόγησης IP Κεφ 2.2: Αποφυγή Συμφόρησης στο TCP Κεφ 3: Ασφάλεια στο διαδίκτυο Κεφ 10: Πρωτόκολλα Στρώματος Εφαρμογής HTTP, FTP, E-Mail, DNS Γλώσσα Σήμανσης Υπερκειμένου (HTML) MPLS National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Τεχνολογίες Διαδικτύου Κεφάλαιο 1: Αρχές Διαδικτύου

Σύνοψη 1 Αρχές διαδικτύου 1.1 Αναδρομή – εισαγωγή 1 Αρχές διαδικτύου 1.1 Αναδρομή – εισαγωγή 1.2 Πρωτόκολλα TCP/IP 1.2.1 Διαστρωμάτωση 1.2.2 Μέσα Μετάδοσης 1.3 Το πρωτόκολλο IP 1.3.1 Τάξεις Διευθύνσεων IP 1.3.2 Δρομολόγηση IP 1.3.3 Το πρωτόκολλο ICMP 1.4 Πρωτόκολλα Στρώματος Μεταφοράς 1.4.1 Πρωτόκολλο Ελέγχου Μετάδοσης (Transmission Control Protocol, TCP) 1.4.2 Πρωτόκολλο Πακέτων Χρήστη (User Datagram Protocol, UDP) 1.5 Η εξέλιξη της Τεχνολογίας του Διαδικτύου 1.5.1 Το Διαδίκτυο Σήμερα 1.5.2 Το Διαδίκτυο Επόμενης Γενιάς National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Εισαγωγή Στόχος: Περίληψη: Ορολογία και μια πρώτη επαφή Τι είναι το Internet Τι είναι το πρωτόκολλο Άκρη του δικτύου Πυρήνας του δικτύου Δίκτυο πρόσβασης, φυσικό μέσο Δομή Internet/ISP Απόδοση: απώλεια πακέτων, καθυστέρηση Στρώματα πρωτοκόλλων, μοντέλα υπηρεσιών Μοντελοποίηση δικτύου National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Τι είναι το Διαδίκτυο δρομολογητής Εκατομμύρια διασυνδεδεμένοι υπολογιστές: hosts = τερματικά συστήματα Τρέχουν δικτυακές εφαρμογές Ζεύξεις επικοινωνίας Οπτικές ίνες, σύρματα, δορυφόροι, ηλεκτρομαγνητικά κύματα Ρυθμός μετάδοσης = εύρος ζώνης (bandwidth) Δρομολογητές: προωθούν πακέτα Σταθμός εργασίας εξυπηρετητής Κινητό local ISP local ISP regional ISP regional ISP company company network network National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Τι είναι το Διαδίκτυο Πρωτόκολλα που ελέγχουν μετάδοση και λήψη μηνυμάτων e.g., TCP, IP, HTTP, FTP, PPP Internet: “network of networks” Ελαφρά ιεραρχικό μοντέλο Δημόσιο Internet vs. private intranet Internet standards RFC: Request for comments IETF: Internet Engineering Task Force δρομολογητής Σταθμός εργασίας εξυπηρετητής Κινητό local ISP local ISP regional ISP regional ISP company company network network National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Διαδίκτυο: υπηρεσίες μετάδοσης Η δικτυακή δομή δίνει τη δυνατότητα για την εξάπλωση κατανεμημένων υπηρεσιών : Web, email, games, e-commerce, file sharing Υπηρεσίες μετάδοσης που παρέχονται στις εφαρμογές: Χωρίς σύνδεση μη αξιόπιστη Με σύνδεση αξιόπιστη National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Ορολογία κόμβος μια μονάδα που υλοποιεί το πρωτόκολλο TCP/IP host οποιοσδήποτε άλλος κόμβος που δεν είναι δρομολογητής ζεύξη μέσο πάνω από το οποίο οι κόμβοι μπορούν να επικοινωνούν στο επίπεδο ζεύξης δεδομένων γείτονες κόμβοι συνδεδεμένοι στην ίδια ζεύξη σημείο η προσαρμογή ενός κόμβου στη ζεύξη προσαρμογής διεύθυνση ένα αναγνωριστικό επιπέδου IP για ένα σημείο προσαρμογής ή ένα σύνολο σημείων προσαρμογής National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Τι είναι το πρωτόκολλο <file> time Πρωτόκολλα Όλη η επικοινωνία στο Διαδίκτυο ελέγχεται από τα πρωτόκολλα TCP connection request TCP connection response Τα πρωτόκολλα ορίζουν τη δομή των μηνυμάτων, τη σειρά που τα μηνύματα στέλνονται και λαμβάνονται από τις δικτυακές οντότητες, και τις ενέργειες που γίνονται κατά τη λήψη. αποστολή των μηνυμάτων Get http://icbnet.telecom.ntua.gr <file> time National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Δομή του Διαδικτύου Σημείο πρόσβασης: εφαρμογές και τερματικά Πυρήνας του δικτύου: δρομολογητές δίκτυα Δίκτυο πρόσβασης, φυσικό μέσο Ζεύξεις επικοινωνίας National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Η άκρη του δικτύου Τελικά συστήματα (hosts): peer-peer Τρέχουν εφαρμογές e.g. Web, email Στην «άκρη του δικτύου» peer-peer client/server Μοντέλο πελάτη/εξυπηρετητή Πελάτης κάνει αιτήσεις και λαμβάνει απαντήσεις/υπηρεσίες από τον εξυπηρετητή e.g. Web browser/server; email client/server Μοντέλο peer-peer: Ελάχιστη χρήση αφοσιωμένων εξυπηρετητών e.g. Gnutella, KaZaA

Υπηρεσία βασισμένη στη σύνδεση Στόχος: μετάδοση δεδομένων μεταξύ τελικών συστημάτων handshaking: εγκατάσταση σύνδεσης για μετάδοση δεδομένων TCP - Transmission Control Protocol Υπηρεσία TCP [RFC 793] αξιόπιστη, μετάδοση δεδομένων με συγκεκριμένη σειρά Απώλεια πακέτων: βεβαίωση λήψης, επανάληψη μετάδοσης Έλεγχος ροής: Αποστολέας δεν θα κατακλύσει τον παραλήπτη Έλεγχος συμφόρησης: Αποστολέας θα χαμηλώσει το ρυθμό όταν στο δίκτυο υπάρχει συμφόρηση National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Υπηρεσία χωρίς σύνδεση Στόχος: μετάδοση δεδομένων μεταξύ τελικών συστημάτων UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: Χωρίς σύνδεση Μη αξιόπιστη μεταφορά δεδομένων Όχι έλεγχος ροής Όχι έλεγχος συμφόρησης Εφαρμογές που χρησιμοποιούν το TCP: HTTP (Web), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP (email) Εφαρμογές που χρησιμοποιούν το UDP: streaming media, teleconferencing, DNS, Internet telephony National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Πυρήνας του δικτύου Διασυνδεδεμένοι δρομολογητές Η βασική ερώτηση: πως μεταφέρονται τα δεδομένα στο Διαδίκτυο; Μεταγωγή κυκλώματος: ένα κύκλωμα δεσμεύεται ανά κλήση: τηλεφωνικό δίκτυο Μεταγωγή πακέτου: τα δεδομένα στέλνονται στο δίκτυο σε πακέτα National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Πυρήνας του δικτύου: Μεταγωγή κυκλώματος Πόροι δεσμεύονται από άκρο ως άκρο για την κλήση Εύρος ζώνης ζεύξης Δεσμευμένοι πόροι: όχι κατανομή (sharing) Χρειάζεται εγκατάσταση κλήσης Δικτυακοί πόροι διαιρούνται σε «κομμάτια» Τα κομμάτια ανατίθενται στις κλήσεις Τα κομμάτια θεωρούνται idle εάν δεν χρησιμοποιούνται από την ίδια κλήση (no sharing) National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Πυρήνας του δικτύου: Μεταγωγή πακέτου Κάθε ροή δεδομένων αποτελείται από πακέτα Τα πακέτα των χρηστών A, B μοιράζονται τους δικτυακούς πόρους Κάθε πακέτο χρησιμοποιεί ολόκληρο το εύρος ζώνης Οι πόροι χρησιμοποιούνται όταν χρειάζονται Ανταγωνισμός για εύρος ζώνης: Η συναθροισμένη ζήτηση εύρους ζώνης μπορεί να ξεπεράσει το διαθέσιμο συμφόρηση: τα πακέτα σχηματίζουν ουρές, περιμένουν για χρήση εύρους ζώνης Αποθήκευση και προώθηση: τα πακέτα προωθούνται ένα βήμα (hop) κάθε φορά Ο κόμβος λαμβάνει ολόκληρο το πακέτο πριν το προωθήσει Διαίρεση του Εύρους Ζώνης σε «κομμάτια Dedicated allocation Resource reservation National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Πυρήνας του δικτύου: Μεταγωγή πακέτου 10 Mb/s Ethernet C A Στατιστική πολυπλεξία 1.5 Mb/s B Ουρά πακέτων που περιμένουν προς μετάδοση D E Η σειρά πακέτων του Α&Β δεν έχει συγκεκριμένο pattern  στατιστική πολυπλεξία National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Μεταγωγή πακέτου: αποθήκευση και προώθηση L R R R Χρειάζονται L/R seconds για τη μετάδοση πακέτου L bits στη ζεύξη των R bps Ολόκληρο το πακέτο πρέπει να φτάσει πριν μεταδοθεί στην επόμενη ζεύξη: store and forward καθυστέρηση = 3L/R Παράδειγμα: L = 7.5 Mbits R = 1.5 Mbps delay = 15 sec National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Μεταγωγή πακέτου vs Μεταγωγή κυκλώματος Η μεταγωγή πακέτου επιτρέπει σε περισσότερους χρήστες να χρησιμοποιούν το δίκτυο! Ζεύξη 1 Mb/s Κάθε χρήστης 100 kb/s όταν είναι ‘ενεργός’ Ενεργός στο 10% του χρόνου Μεταγωγή κυκλώματος: 10 χρήστες Μεταγωγή πακέτου: Με 35 users, η πιθανότητα να έχουμε >10 ενεργούς χρήστες την ίδια στιγμή είναι λιγότερη από 0.0004 N users 1 Mbps link

Μεταγωγή πακέτου vs Μεταγωγή κυκλώματος Τέλεια για ‘bursty’ δεδομένα Μοιράζονται οι πόροι Απλούστερο, όχι εγκατάσταση κλήσης συμφόρηση: καθυστερήσεις και απώλεια πακέτων Χρειάζονται πρωτόκολλα για αξιόπιστη μετάδοση και έλεγχο συμφόρησης

Δίκτυο πρόσβασης και φυσικό μέσο Q: Πως συνδέονται τα τελικά συστήματα στους δρομολογητές ακμής?? residential access nets Dialup via modem ADSL: asymmetric digital subscriber line institutional access networks (school, company) company/university local area network (LAN) connects end system to edge router Ethernet: shared or dedicated link connects end system and router 10 Mbps, 100Mbps, Gigabit Ethernet mobile access networks wireless LANs: 802.11b,g (Wi-Fi) wider-area wireless access 3G ~ 384 kbps National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Δομή Διαδικτύου: δίκτυο από δίκτυα Σχεδόν ιεραρχικό μοντέλο Στο κέντρο: “tier-1” ISPs: προσφέρουν εθνική/διεθνή κάλυψη Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP

Δομή Διαδικτύου: δίκτυο από δίκτυα “Tier-2” ISPs : μικρότεροι, συνήθως τοπικοί ISPs : Συνδέονται σε ένα οι περισσότερους tier-1 ISPs, πιθανόν και σε άλλους tier-2 ISPs Tier-2 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP

Δομή Διαδικτύου: δίκτυο από δίκτυα “Tier-3” ISPs και τοπικοί ISPs last hop (“access”) network (κοντά στα τελικά συστήματα) local ISP Tier 3 Tier-2 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP

Δομή Διαδικτύου: δίκτυο από δίκτυα Ένα πακέτο διέρχεται μέσα από πολλά δίκτυα!! local ISP Tier 3 ISP local ISP local ISP local ISP Tier-2 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP Tier 1 ISP local ISP local ISP local ISP local ISP

Γιατί έχουμε καθυστέρηση και απώλειες? Τα πακέτα σχηματίζουν ουρές στους ενταμιευτές των δρομολογητών Ο ρυθμός αύξησης των πακέτων στη ζεύξη υπερβαίνει τη χωρητικότητα της ζεύξης εξόδου Τα πακέτα κάνουν ουρά και περιμένουν τη σειρά τους packet being transmitted (delay) A free (available) buffers: arriving packets dropped (loss) if no free buffers packets queuing (delay) B National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Πηγές καθυστέρησης A B 1. Επεξεργασία από κόμβο: 2. Αναμονή στην ουρά 3. Καθυστέρηση μετάδοσης: R=link bandwidth (bps) L=packet length (bits) Χρόνος μετάδοσης στη ζεύξη = L/R 1. Επεξεργασία από κόμβο: Έλεγχος λαθών Καθορισμός ζεύξης εξόδου 2. Αναμονή στην ουρά Χρόνος αναμονής στην ουρά για μετάδοση Εξαρτάται από το επίπεδο συμφόρησης του δρομολογητή 4. Καθυστέρηση διάδοσης: d = μήκος φυσικής ζεύξης s = ταχύτητα διάδοσης στο μέσο (~2x108 m/sec) Καθυστέρηση διάδοσης = d/s A B propagation μετάδοση επεξεργασία από κόμβο αναμονή στην ουρά National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Συνολική καθυστέρηση dproc = καθυστέρηση επεξεργασίας typically a few microseconds or less dqueue = καθυστέρηση αναμονής στην ουρά Εξαρτάται από την συμφόρηση dtrans = καθυστέρηση μετάδοσης = L/R, significant for low-speed links dprop = καθυστέρηση διάδοσης a few microseconds to hundreds of microseconds National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Καθυστέρηση αναμονής στην ουρά R=link bandwidth (bps) L=packet length (bits) a=μέσος ρυθμός άφιξης πακέτων Ένταση κυκλοφορίας = La/R La/R ~ 0: μέση καθυστέρηση στην ουρά μικρή La/R -> 1: η καθυστέρηση αυξάνεται La/R > 1: περισσότερα πακέτα φτάνουν από ότι μπορούν να εξυπηρετηθούν, η μέση καθυστέρηση τείνει στο άπειρο! National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου

Απώλεια πακέτων Η ουρά του ενταμιευτή έχει συγκεκριμένη χωρητικότητα Όταν ένα πακέτο φτάνει σε γεμάτη ουρά, τότε το πακέτο απορρίπτεται Το χαμένο πακέτο μπορεί να αναμεταδοθεί ή όχι National Technical University of Athens Τεχνολογίες Διαδικτύου