Úvod do počítačových sítí Doc. RNDr. Luděk Matyska, CSc. (RNDr. Eva Hladká, RNDr. Petr Holub) Co jsou to sítě? •Telefonní sítě •Datové sítě •Různé potřeby různých sítí Vývoj telefonních sítí •Point to point connection aneb pouhý drát •Sítě spojované operátorkami •Sítě spojované relé •Spojované sítě (connection oriented networks), okruhy (circuits), udržování stavu (state awareness) •Homogenita požadavků v telefonní síti •Spolehlivost: od žádného zajištění po současnou telefonní síť (mesh) Datové sítě •Rozvoj začíná v 70. letech •Best-effort networks, stateless networks (paketové sítě) •Heterogenní požadavky na datovou síť •Problém se zajištěním kvality služeb, tzv. QoS (Quality of Service) na best-effort sítích •Primárně šlo o přístup na vzdálený počítač, posléze lidem došlo, že počítač může dělat relay Jak běžel čas... •1969 - ARPANET •1971 - email •1972 - telnet •1973 - FTP •1976 - královna Elizabeth posílá e-mail •1977 - mailing list •1979 - Usenet, uucp •1981 - BITNET •1982-3 - TCP/IP •1984 - DNS •1986 - NSFNET •1990 - ARPANET končí •1991 - WWW, gopher •1992 - Veronica •1993 - Mosaic •Primárně šlo o přístup na vzdálený počítač, posléze lidem došlo, že počítač může dělat relay Příklad současných sítí •Ukázka: The Warriors of the Net • Fyzická vrstva Physical Layer Referenční OSI model Vrstva datových spojů Data Link Layer 1 Síťová vrstva Network Layer Transportní vrstva Transport Layer Relační vrstva Session Layer Prezentační vrstva Presentation Layer Aplikační vrstva Application Layer 2 3 4 5 6 7 Fyzická vrstva Physical Layer Komunikace v OSI modelu Vrstva datových spojů Data Link Layer 1 Síťová vrstva Network Layer Transportní vrstva Transport Layer Relační vrstva Session Layer Prezentační vrstva Presentation Layer Aplikační vrstva Application Layer 2 3 4 5 6 7 Fyzická vrstva Physical Layer Vrstva datových spojů Data Link Layer 1 Síťová vrstva Network Layer Transportní vrstva Transport Layer Relační vrstva Session Layer Prezentační vrstva Presentation Layer Aplikační vrstva Application Layer 2 3 4 5 6 7 Mapování běžných internetových protokolů na OSI model Fyzická vrstva Physical Layer Vrstva datových spojů Data Link Layer 1 Síťová vrstva Network Layer Transportní vrstva Transport Layer Relační vrstva Session Layer Prezentační vrstva Presentation Layer Aplikační vrstva Application Layer 2 3 4 5 6 7 Physical Media Access Control LAN drivers IP UDP TCP RPC XDR NFS HTTP Telnet FTP SMTP Příklady protokolů •Aplikační protokoly: HTTP, FTP, SNMP, Telnet, SSH, SMB, AppleTalk, X.500, NCP •Transportní protokoly: TCP, (UDP,) SPX, NetBEUI, ATP •Síťové protokoly: IP, IPX, NetBEUI, DDP SMB = Server Message Block NCP = Novell Network Core Protocol X.500 = CCITT protocol for accessing files and directories IPX = internetwork packet exchange NetBEUI = Network Basic Input/Output System DDP = Datagram Delivery Protocol (AppleTalk) Model přesýpacích hodin Aplikace 1 Aplikace 2 Aplikace 3 Aplikační vrstva Transportní vrstva Síťová vrstva Vrstva datových spojů a vrstva fyzická TCP UDP IP ovladač ovladač ovladač ICMP Srovnání přístupů - telco vs. data • • Telefonní síť •zaměřená na přenos analogového signálu •connection oriented (circuits) •homogenní požadavky •automatická QoS Datová síť •zaměřená na přenos digitálních dat •connectionless, stateless •best-effort •QoS se dosahuje obtížně Zabezpečení přenosů na datových sítích •Zabezpečení na úrovní nad IP vrstvou TCP a další transportní protokoly - klasické řešení •Zabezpečení na úrovni pod IP vrstvou (v současné době je předmětem vývoje) •Model přesýpacích hodin Rozvoj datových sítí •Různá transportní média –sítě na elektrických signálech –sítě na optických signálech –bezdrátová spojení (laser, MW, radiové spojení) •Různý přístup na přenosové médium –Distributed Queue Dual Bus (DQDB) –Ethernet, přístup do bezdrátových sítí, SLIP: Carrier-Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD), Carrier-Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA/CA) –Token Ring: Token Passing –Wave Division Multiplexing (WDM) –SDH a SONET – • • Rozvoj datových sítí •Vysílání na více frekvencích na jednom přenosovém médiu - kódování: –baseband transmission broadband transmission –WDM v optických sítích •Zvýšení přenosových rychlostí Ethernet •Přenosová média, rychlosti a standardy: 10Base2 (thinnet, bus, 10 Mbps) 10Base5 (thicknet, bus, 10 Mbps) 10BaseT (twisted pair - UTP/STP, star bus, 10 Mbps) 100BaseTX (twisted pair, star (bus), 100 Mbps) 100BaseFX (optické vlákno, star (bus), 100 Mbps) 1000Base... (různé, star (bus), 1 Gbps) •Pokryto standardy: IEEE 802.3 (Ethernet), 802.8 (optické spoje) ATM •Snaha vybrat to nejlepší z telefonních a datových sítí •Udržuje během spojení obvody •Rozdělení dat na malé části (ATM cells, 48 bytů data, celkem 53 bytů) - snadný multiplexing •Velký overhead: –při přenosu dat roste overhead s množstvím dat –overhead při udržování informací o stavech obvodů po celé síti •V současné době není považováno za perspektivní technologii •Typické rychlosti: 34 Mbps, 155 Mbps, 622 Mbps •Snadno zajistitelné QoS Bezdrátové technologie •Radiové spoje •Mikrovlné spoje •Infračervené spoje •Laserové spoje • •+ flexibilita spojů •- snadný odposlech • •Pokryto standardy IEEE 802.11{b,f,g…} •Zájem na vhodném zabezpečení (56 a 128 bitové šifrování) •velký rozmach v poslední době: instalace do budov, komunikace (nejen) mobilních zařízení Přepojování (switchování) •Ve spojovaných sítích se jedná o přepínání okruhů –ustanovuje je komunikační cesta (okruh) –udržuje se dokud jeden z koncových uzlů neukončí –spojení je dedikované komunikaci konkrétních dvou uzlů •V nespojovaných sítích se jedná o přepínání packetů (méně spolehlivé, rychlé) –data jsou vysílána v samostatných paketech –neudržuje spojení mezi koncovými body –data mohou chodit různými cestami –je podporována proměnná rychlost dat a prioritizace provozu –odděluje kolizní domény • Režimy přepínání •Store-and-forward: přepínač přijme celý paket, ověří CRC a poté přeposílá dále (latence roste s délkou paketů) •Cut through: načte se pouze hlavička packetu a okamžitě přeposílá dále (poskytuje horší možnost záchytu chyb) •Fragment-free: načte celé kolizní okno (64 bytů) a přeposílá pouze v případě, že je bezchybný (kolize ve většině případů nastává právě na počátku v během kolizního okna) •Hybridní: kombinace předešlých Směrování •Úkolem směrování je výběr nejlepší cesty dle různých kritérií (např. propustnost, zpožďování, cena) •Směrovací algoritmy –požadavky: správnost, jednoduchost (rychlost), robustnost (správnost při poruchách), stabilita, spravedlivost, optimálnost, efektivnost (úměrnost výpočtu) –grafové algoritmy jsou algoritmy nad grafy s ohodnocenými hranami a uzly obsahující kružnice; grafy se dynamicky mění v čase (nelze znát aktuální stav sítě!!!) –algoritmus Bellman-Ford –algoritmus Dijkstra •Běžné protokoly: OSPF, RIP, BGP • Hierarchie adres •IPv4 •Adresy tříd A, B, C •Maskování • • • • • • • •Hierarchické rozdělování IP adres 147 251 48 1 255 255 0 255 10010011 11111011 00110000 00000001 11111111 11111111 11111111 00000000 DNS •Překlad mezi jménem a IP adresou stroje •Hierarchické uspořádání Root DNS DNS příslušné domény lokální DNS Multicast - skupinové vysílání •Zprostředkování komunikace v režimech 1:N a N:M •Duplikace dat uvnitř sítě •Jedny data po jedné lince pouze jednou bez ohledu na počet účastníků •S příchodem vysokorychlostních sítí se objevují velmi zajímavé technologie pro přenos dat tak, aby bylo lze zaručit, že účastník přijme všechna data (byť ne v reálném čase) - využití i pro jiné účely než distribuce audia/videa •Protokoly pro směrování a správu skupin •Technologické problémy v implementaci v současných aktivních prvcích sítě MBone •Multicastová podsíť Internetu • Výkonnostní parametry sítí •Šířka pásma (bandwidth, throughput) •Latence/zpoždění (latency/delay) •Dostupnost (availability) •Ztrátovost paketů (packet loss) •Rozptyl zpoždění (jitter) • •Jak hodnotíme kvalitu služby? Jaké parametry jsou pro naši aplikaci nejvhodnější? Síť CESNET2 cesnet2-topo Síť GÉANT PUB-07-179_GN2_Topology_Jan_08_final Síť Internet2 I2_networkmap AbileneMap Celosvětové akademické sítě 200901-CImap Aktuální zátěž na síti CESNET2 zatez_23_02_2009 Bezpečnost datových sítí •Bezpečnost fyzické úrovně –fyzická ochrana –odposlech elektrických signálů –bezpečnost optických sítí •Zabezpečení dat –šifrování na různých úrovních •Ochrana soukromí vs. bezpečnostní požadavky Kam se ubírá vývoj •Na IP založené best-effort sítě –vývoj technologií řešících nedostatky best-effort sítí •All-optical networks •Řešení QoS na IP sítích •Programovatelné (aktivní) sítě Struktura přednášky •Úvod do počítačových sítí, telefonní a datové sítě, Internet •Aplikace a jejich požadavky, kvalita služeb •OSI model, spojované a nespojované sítě •Lokální (LAN) a rozlehlé (WAN) sítě, IP a IP-based protokoly, detailně TCP/IP; IPv6 •Směrování a přepojování, nejprve teorie, pak RIP, OSPF, BGP (včetně autonomních systémů) •Multicast •Přenosová media, mechnismy přenosu dat, přístup k médiu (Ethernet, Token Ring, FDDI, ATM, IEEE 802.11) •Kódování dat •Teorie přenosu informací •Kvalita služeb II, ATM a poučení •Budoucnost? • Kde dále hledat? •RFC’s (Request For Comments) http://www.zvon.org/ •IETF Drafts (Internet Engineering Task Force) http://www.ietf.org/ •Velký průvodce protokoly TCP/IP a systémem DNS Libor Dostálek, Alena Kabelová - 1. vyd. - Praha : Computer Press, 1999 •Connected: An Internet Encyclopaedia, 3rd ed. http://www.freesoft.org/CIE/ •Warriors of the Net