Počítačové sítě Určeny k přenosu dat Dva základní přístupy: ■ Spojované (connection oriented) ■ Paketove síte PB001 1 Podzim 2010 Spojované sítě ■ Dve fáze: ■ Navázání spojení (odtud spojovaná sít) ■ Prenos dát ■ Klasická telefonní sít ■ Cestá sítí ustávená pred vlástním přenosem dát ■ Vysílájící ví, Ze dátá nekdo přijímá ■ Sít ví, kdo s kym „mluví" (je spojen): stav ■ V podstáte ábstrákce drátu PB001 2 Podzim 2010 Paketové sítě ■ Data jsou vysílána v „malých" jednotkách: paket (datagram) ■ Každý paket prochazí sítí samostatné (žadne spojení) ■ Pakety mohou přichazet v rUznem pořadí (rUzne cesty) ■ Daisí vlastnosti ■ Vetsí odolnost ■ Nelze s lidskou spojovatelkou (nestíhala by „přepojovat" kazdý datagram zviast) ■ Sít neví, jaka data jí tecou: bezstavová PB001 3 Podzim 2010 Internet ■ Datová sít, budovaná od počátku 70. let (tehdy samozřejmě nikoliv jako Internet) ■ Inter-net: Sít sítí, hlavní vlastnosti: ■ Hierarchicky navrh (propojení malyčh sítí do vetsíčh čelkU) ■ Postupna konvergence k jedinemu protokolu: IP (Internet Protočol) ■ Otevřeny navrh (standardy), nezavisly na konkretníčh dodavatelíčh či firmačh PB001 4 Podzim 2010 Historie Internetu 1969 ARPANET 1971 email 1972 telnet 1973 FTP 1976 kraiovna Elizabeth poslia e-mail 1977 mailing list 1979 Usenet, uucp 1981 BITNET 1982-3 TCP/IP 1984 DNS 1986 NSFNET 1990 ARPANET konCI 1991 WWW, gopher 1992 Veronica 1993 Mosaic (nasledne Netscape) Opticke site Google Socialnl site (Facebook) PB001 5 Podzim 2010 Současnost Internetu ■ Jedna ze základních infrastruktur (jako elektřina, železnice, silnice, voda, plyn, ...) ■ Paralelní rozvoj ■ Akademickeho Internetu: pro akademickou komunitu (univerzity, vyzkum, Školství, ...) ■ Obecneho (commodity) Internetu: pro všechny ostatní (podniky, domacnosti, . . . ) ■ Akademicky Internet ukazuje cestu ■ Internet2 (Abilene) v USA ■ Can4net v Kanade ■ Geant v Evrope _ __ v _ PB001 ■ CESNET2 v C R 6 Podzim2010 Internet - struktura ■ Propojené uzly ■ Data přenášena od výchozího do koncového uzlu ■ Z pohledu aplikace vnitrní struktura transparentní: tzv. end-to-end pohled, tj. šít stale chapeme jako abstraktní „drat" ■ Uzly ■ Koncove - stanice, servery, ...; predevším aplikacní zalezitost ■ Mezilehle - smerovace (routers), přepínace (switches): odpovídají za prenos dat PB001 7 Podzim 2010 Architektura - základy ■ Vrstevná architektura ■ Tzv. ISO OSI model (viz. následující slide) ■ KaZdá vrstva odpovídá za konkrétní funkcionalitu ■ Vrstva je abstrakce, skuteCna implementace se více Ci mene lisí ■ Logicky se komunikace odehrava mezi stejnými vrstvami, fyzicky prochazí vsemi nizsími vrstvami PB001 8 Podzim 2010 ISO OSI model Aplikační vrstva Prezentační vrstva Relační vrstva Transportní vrstva Sitová vrstva Vrstva datových spojů Fyzická vrstva PB001 9 Podzim 2010 ISO OSI model - barevné rozlišení ■ Vrstvy červenou bárvou jsou vetsinou souCástí áplikácí ■ Cěrna vrstvá zájistuje pozorováne vlástnosti prenosu (nápr. zdá je provádená kontrolá dorucení ápod.) ■ Zelená vrstvá skutecne přenásí pákety (dátágrámy), v Internetu bez zárucení ■ Modre vrstvy by vetsinou mely zustát tránspárentní (nápr. pouzití optickych nebo kovovych vláken, Ethernet ci ATM ápod.) PB001 10 Podzim 2010 PB001 11 Podzim 2010 Prenosová vrstva - IP ■ Internet protokol ■ Odpovída za dopravu dat mezi uzly ■ Je vysoce ckalovatelny: princip pouzitelny i pro velmi velke síte ■ Zakladní jednotkou přenosu paket (data plus hlavicky) PB001 12 Podzim 2010 Internet protokol ■ Určení (adresa) vysílacího a cílového uzlu ■ Číselna adresa, 32 bitU (pro IPv4; novy protokol IPv6 ma adresy 128bitU dlouhe) ■ Struktura: AAA.BBB.ČČČ.DDD ■ aisa.fi.muni.cz ma adresu: 147.251.48.1 ■ Jeden uzel muZe mít více adres PB001 13 Podzim 2010 IP adresy ■ Hierarchie Sít:Uzel ■ Centrální sprava/přideiovaní tzv. podsítí ■ Rozdeieno na nekolik skupin: ■ A třída: 8 bitU přideieno, 24 bitU ve sprave „vlastníka" (nejvySSí bit 0, např. 10.0.0.0) ■ B třída: 16 bitU přideeleno, 16 bitU ve sprave „vlastníka" (nejvyssí bity 10, např. 147.251.0.0) ■ C trída: 24 bitU prideleno, 8 bitU ve sprave „vlastníka" (nejvyssí bity 100, napr. 195.211.132.0) ■ Dnes poUZívany i podsíte (např. třída B mUZe byt rozdelena na 256 podsítí C; mozne i hmbsí a jemnejsí delení) PB001 14 Podzim 2010 Pojmenování ■ IP čísla nevhodná pro lidi ■ Symbolickájmena (aisa.fi.muni.cz) ■ Jmenná služba: převod IP adres a jmen ■ DNS (Domain Name Service) ■ Hierachicke ■ Lokalní servery obsluhují skupinu „příbuzných" adres (napr. muni.cz ci fi.muni.cz) ■ 13 kořenových serveru (USA, Japonsko, Amerika) PB001 15 Podžim2010 Prenos paketu Na IP urovni kazdy paket ma cílovou adresu Pokud není vysílající přímo propojen s cílovym, nutno doručit paket skrz sít: směrování a směrovací protokoly V podstate grafovy problem: sít jako graf Algoritmy nalezení cesty mezi dvema uzly grafu Cestu znají uzly, podle cílove adresy rozhodnou, kam poslat dale ■ Uzly znají implicitne nebo explicitne cestu ■ Tuto znalost pouzijí pri vlastním přenosu paketu PB001 16 Podzim 2010 Směrování ■ Dve faze ■ Proces nalezení a udrzení smerovacích tabulek ■ Vlastní posílaní datových paketu PB001 17 Podzim 2010 Smerovací schémata ■ Distribuované nebo centralizovane ■ „Krok za krokem' nebo zdrojove ■ Deterministické nebo stochasticke ■ textcolorredJednocestne nebo vícecestne ■ Dynamicke nebo staticke Protokoly pouzívane i Internetu jou oznaceny cervene PB001 18 Podzim 2010 Vlastnosti podrobněji ■ Státicke álgoritmy ■ Jednorázove (cásto rucní) tábulky ■ Vhodne pro státickou topologii ■ Dynámicke álgoritmy ■ Flexibilní/robustní (reákce ná zmeny) ■ Nezbytná áktuálizáce tábulek * Aktuálizácní álgoritmus * Aktuálizácní protokol PB001 19 Podzim 2010 Dynamické směrovací algoritmy ■ Centralizované ■ Stav se posila do centra ■ Centrum spoCte tabulky a posila je uzlům ■ Izolovane ■ KaZdy uzel „sam za sebe'' ■ Distribuovane ■ Vzajemna kooperace uzlu PB001 20 Podzim 2010 Hierarchie směrování ■ Hierarchie sítí ■ Lokalní síte ■ Propojovaný do vyssích celku ■ Hierarchie smerovacu ■ Smerovaní uvnitř sítí ■ Smerovaní mezi sítemi ■ Zde se vrací adresace: adresa (pod)síte - adresa uzlu PB001 21 Podzim 2010 Funkce směrovacího algoritmu ■ Výběr komunikační cesty ■ Propustnost ■ Zpoždění („dělka" cesty) ■ Vlastní doručení dat ■ Využití směrovacích tabulek PB001 22 Podžim 2010 Prepínaní ■ Nizsi vrstva ■ UrCeno pro propojeni lokalnich siti na sdíleném médiů (napr. Ethernet) ■ Transparentni pro IP PB001 23 Podzim 2010 Multicast Skupinová komunikace Revize všech základních aspektu ■ smerování ■ hierarchie ■ adresace ■ kvalita dorucení (spolehlivost, uspořadanost,...) PB001 24 Podzim 2010 Multicast - motivace ■ Data pro více „odběratelů" ■ všesměrově vysílaní (broadcast) ■ vzdaiena spolůprace (telecollaboration) ■ ůpdate programoveho vybavení a dat (antiviry) ■ Dotaz „neznamemů" (vyhledavaní) ■ peer-to-peer sdílení souborů (gnůtella, napster) ■ hledaní zdrojů ■ distribůovane databaze PB001 25 Podzim 2010 Multicast - požadavky ■ Každým uzlem prochází data pouze jednou ■ NezaruCene doruCení ■ Nelze zajistit bez podpory síte PB001 26 Podzim 2010 Transportní vrstva ■ Pojem portu ■ Více aplikací na jednom stroji: nutná jemnejší adresace ■ Port: adresa posktyovane služby ■ UDP protokol ■ Použe nežaruCeny prenos ■ Datagramy jsou žasílany do síte bež dalsí kontroly * Žadna garance ani kontrola doruCení ■ TCP PB001 27 Podžim 2010 TCP ■ Tránsmition Control Protokol ■ Stáví „spojovánou" sluzbu nád IP ■ Iniciáce spojení ■ Gárántovány přenos ■ Schopen reágovát ná záhlcení (zpomálí á znovu postupne „pridává") ■ Hlávní prenosovy protokol ná Internetu PB001 28 Podzim 2010 VySSí vrstvy ■ Protokoly vyssích vrstev ■ Príklady ■ http: komunikace s webovym serverem, přenos webovych stranek ■ ftp: přenos dat ■ telnet: pripojení na vzdaleny podtac ■ ssh: rovnez připojení, ale se zabezpecením (sifrovaní) PB001 29 Podzim 2010 Multimediální systémy ■ Primarne prenos zvuku a obrazu ■ Pozadavky na kvalitu (vlastnosti) spojení ■ Vcasne dorucení ■ Nepřílis velky rozptyl dorucení paketu ■ Spojovane síte (telefony) nabízí jednodussí řesení ■ Nedostatecna koncova kapacita ■ Potencialní plytvaní pasmem (musí byt vyhrazeno, i kdyz mlcíte) PB001 30 Podzim 2010 Multimedia - podpora v IP sítích ■ Mohou dobre využít multicast ■ Vyžadují Kvalitu služby: rezervace ■ Možna řeSení ■ Overprovision (dostatek kapacity bež ohledu na požadavky) ■ Dedikovane okruhy (a la telefony): VPN ■ Režervace pro každy tok žvlaSt: RSVP ■ Agregace toku, režervace (staticka) pro agregace: DiffServ ■ Pro soucasny Internet vhodne poslední resení PB001 31 Podžim2010 Bezdrátově sítě ■ Optickě ■ infra: napr. infraport notebooku ci mobilního telefonu ■ laser: vetsí vždalenosti Silne žavisle na vnejsích podmínkach (príma viditelnost, mlha, ...) ■ Radiove ■ Kapacita přenosu žavisla na frekvenci, kvalita souvisí s kódovaním a vyžarenou energií (v lokalních sítích pod 1 W) PB001 32 Podžim 2010 Radiove site - príklady ■ Mobilní telefony: 800, 900, 1 800 a 1 900 MHz ■ Kapacita desítky az stovky Kb/s (pod jedem Mb/s) ■ Bluetooth: 2,4 GHz (nelicencovane pasmo) ■ Nízka spotřeba, kratka vzdalenost ■ Kapacita jednotky Mb/s ■ WiFi (napr. fakultní bezdratova sít) ■ Zakladní protokol: 2,4 GHz; kapacita od 1 Mb/s (802.11) pres 11 Mb/s (802.11b) az po 54 Mb/s (802.11g) ■ WiFi na vyssí frekvenci: 5 GHz, kapacita 54 Mb/s (802.11a) ■ Multiple input, multiple outpot (MIMO), kombinace obou frekvencí, vícenasobne kanaly, propustnost az 600 Mb/s (802.11n) PB001 33 Podzim 2010 Radiové sítě - příklady pokr. ■ WiMax (Worldwide Interoperability for Microwave Access) ■ Rodina protokolů IEEE 802.16 ■ Frekvence 2,5-10,5 MHz íCast licencovana, zahrnuje i nelicencovana pasma WiFi). ■ Velky dosah a plosne pokrytí (do 100 km) ■ Vyssí frekvence (desítky GHz) ■ Licencovane, kapacita aZ stovky Mb/s PB001 34 Podzim 2010 Bezdrátové sítě - specifika ■ Podstatne vyssí chybovost ■ vhodna oprava prímo na spojení, ne ve vyssích protokolech ■ casto kombinovano s redundancí (vysíla se více a na druhe strane se rekonstruuje) ■ Nove typy žpusobu prace PB001 35 Podžim 2010 Mobilní počítání ■ Podporá pohyblivosti ■ Dvá zákládní mody ■ álwáys on ■ prenos prostředí (pripojení kdykoliv odkudkoliv) ■ Bezdrátove síte umoznují první zpusob ■ Softwárová podporá pro druhy zpusob PB001 36 Podzim 2010 Mobilita s přenosem prostredí ■ Příklad: ctení posty přes webovy prohlízec ■ Problemy ■ Ruznost operacních systemu ■ Bezpecnost * autentizace uzivatele ■ Vnímana kvalita * adaptace na ruznou kvalitu spojení PB001 37 Podzim 2010 Distribuované systémy ■ Pocítac: nekolik vzajemne propojenych komponent ■ Co se stane, kdyz nektere z propojení nahradíme sítí? Vznikne distribuovaný systém ■ Definice: ■ System, ktery je tvoren dvema nebo více nezávislými pocítaci propojenymi sítí a komunikujícími formou předávaní zprav. ■ Distribuovany system tvoří nezívisle pocítace, ktere se uzivateli jeví jako jeden celek [Tanenbaum]. PB001 38 Podzim 2010 Příklady ■ Internet ■ Telefonní system (automatické ústředny) ■ Multimediální systemy (videokonference, e-Learning) ■ Mobilní systemy ■ World Wide Web ■ Clustery ■ Gridy PB001 39 Podzim 2010 Srovnání ■ Počítáčove síte ■ Kázdy počítáč je explicitne viditelny ■ Distribuováne systemy ■ Počítáče jsou skryty ■ Společne vlástnosti ■ Počítáčová sít je z určiteho pohledu rovnez distribuoványm systémem (nápr. system smeerováču, jmennyčh serveru, ...) ■ Kázdy distribuovány system vyuzívá sluzeb počítáčove sítee PB001 40 Podzim 2010 Problémy distribuovaných systému ■ Heterogenita jednotlivých složek ■ Middleware: skrýva heterogenitu * CORBA, Globus ■ Mobilní kod (Java) ■ Otevrenost/interoperabilita ■ Nežbýtne využití standardu PB001 41 Podžim 2010 Problémy distribuovaných systému II ■ Bezpečnost ■ Autentizace ■ Autorizace ■ Soukromí ■ RozSiritelnost PB001 42 Podzim 2010 Problémy distribuovaných systému III ■ Zpracování výpadků ■ Detekce ■ Maskování ■ Tolerance ■ Paralelismus ■ NebezpeCí „smrtelneho objetí'' (deadlock) ■ Zavislosti (synchronní pohled) PB001 43 Podzim 2010 Problémy distribuovaných systému IV ■ Transparence ■ Přístup ■ Místo ■ Replikace ■ Selhaní ■ Mobilita/přenositelnost ■ Výkon ■ Skalovatelnost/rozsiřitelnost PB001 44 Podzim 2010 Gridy ■ Rozsahle distribuovane systemy ■ Heterogenní ■ Geograficky rozsahle ■ Dynamicke (z pohledu uzivatele) ■ Velky vykon (desítky tisíc procesoru) ■ Velke datová objemy (PB a více) PB001 45 Podzim 2010 Gridy - příklady ■ Data Gridy ■ Zpracovaní velkých objemů dat, generovaných * zařízeními casticove fyziky * radioteleskopy * analyzoů genomů * 3D snímky (mozek) ■ Vypocetní Gridy ■ Narocne vypocty, napr. * astronomie * vlastnosti materiaiů * předpoved pocasí (tez Data Grid) PB001 * strůktůra a chovaní molekůl 46 Podzim 2010 Cloud Computing Nový přístup k nabídce výpočetních a úložných služeb Postaven na virtualizaci ždrojú ■ Ta umožnuje nabídnout počítač nebo celou skupinu počítačů (cluster, grid) při zachovaní spravovatelnosti (manageability) ■ Uživatel dostava ,,holý" sýstem, který sam spravuje ■ Jednoduchý přístup, žpravidla přes webove rožhrani ■ Paý per use, tj. žadne počateční investiční nakladý PB001 47 Podžim 2010 Amazon Elastic Cloud ■ Příklad reálného cloud systému (Amazon EC2) ■ Přístup přes webové rozhraní ■ Platba kreditní kartou ■ SouCastí nabídky i UloZny prostor (Amazon S3) * Nestrukturovane objekty (upload/douwnload), blokový system (holy disk), filesystem * Platba i za prenos dat z/do S3, nikoliv za interní presuny dat PB001 48 Podzim 2010 Cloudy - shrnutí ■ Cloudy nabízí flexibilní kapacity ■ Je mozne okamzite dokoupit dalsí zdroje ■ Virtualizace podporuje navysovaní vykonu poskytnutím kopií ■ Potencial pro odolnost proti vypadku ■ Otevřene bezpecnostní problemy ■ Nejistota, kde jsou skutecne data ulozena ■ Data i vypocty de-facto outsourcovany - ztrata kontroly ■ Vhodne zejmena tam, kde bezpecnost není kriticka a není mozne předem odhadnout skutecnou potrebu zejmena vypocřetního vykonu (a ta silneř kolísa v cřase) PB001 49 Podzim 2010