Ryhmän jäsenet: Jouni Kortelainen diat 1-10 Paavo Pirinen diat 10-21 Aleksi Pohjola diat 22-31.

Esitys aiheesta: "Ryhmän jäsenet: Jouni Kortelainen diat 1-10 Paavo Pirinen diat 10-21 Aleksi Pohjola diat 22-31."— Esityksen transkriptio:

1 Ryhmän jäsenet: Jouni Kortelainen diat 1-10 Paavo Pirinen diat 10-21 Aleksi Pohjola diat 22-31

2 Introduction 1-2 Chapter 1 Introduction Computer Networking: A Top Down Approach 6 th edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012 A note on the use of these ppt slides: We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in PowerPoint form so you see the animations; and can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following:  If you use these slides (e.g., in a class) that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!)  If you post any slides on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material. Thanks and enjoy! JFK/KWR All material copyright 1996-2012 J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved

3 Introduction Chapter 1: introduction our goal:  get “feel” and terminology  more depth, detail later in course  approach:  use Internet as example overview:  what’s the Internet?  what’s a protocol?  network edge; hosts, access net, physical media  network core: packet/circuit switching, Internet structure  performance: loss, delay, throughput  security  protocol layers, service models  history 1-3

4 Introduction Luku1: esittely Tavoitteemme:  Saada tuntumaa ja sanastoa  Enemmän syvyyttä ja tarkennuksia myöhemmin kurssilla  lähestymistapa:  Käytetään internettiä esimerkkinä yleiskatsaus:  Mikä on internet?  Mikä on protokolla?  Reunaverkko; isäntä, liityntäverkko, fyysinen media  Ydinverkko; paketti/piirikytkentä, internetin rakenne  Suorituskyky; hävikki, viivästys, välityskyky  Turvallisuus  Protokolla kerrokset; palvelumalli  historia 1-4

5 Introduction Chapter 1: roadmap 1.1 what is the Internet? 1.2 network edge  end systems, access networks, links 1.3 network core  packet switching, circuit switching, network structure 1.4 delay, loss, throughput in networks 1.5 protocol layers, service models 1.6 networks under attack: security 1.7 history 1-5

6 Introduction What’s the Internet: “nuts and bolts” view  millions of connected computing devices:  hosts = end systems  running network apps  communication links  fiber, copper, radio, satellite  transmission rate: bandwidth  Packet switches: forward packets (chunks of data)  routers and switches wired links wireless links router mobile network global ISP regional ISP home network institutional network smartphone PC server wireless laptop 1-6

7 Introduction Internetin perusteet  Miljoonia yhdistettyjä tietokoneita ja laitteita:  isännät = päätelaitteet  Ajaa verkko-ohjelmia  Tietoliikenneyhteydet  Kuitu, kupari, radio, satelliitti  lähetysnopeus: kaistanleveys  Pakettikytkimet: välittää paketteja (kimpale dataa)  Reitittimiä ja kytkimiä langallinen yhteys langaton Yhteys reititin mobiiliverkko globaali ISP alueellinen ISP kotiverkko laitosverkko älypuhelin PC palvelin langaton Kannettava 1-7

8 Introduction “Fun” internet appliances IP picture frame http://www.ceiva.com/ Web-enabled toaster + weather forecaster Internet phones Internet refrigerator Slingbox: watch, control cable TV remotely 1-8 Tweet-a-watt: monitor energy use

9 Introduction  Internet: “network of networks”  Interconnected ISPs  protocols control sending, receiving of msgs  e.g., TCP, IP, HTTP, Skype, 802.11  Internet standards  RFC: Request for comments  IETF: Internet Engineering Task Force What’s the Internet: “nuts and bolts” view mobile network global ISP regional ISP home network institutional network 1-9

10 Introduction  Internet: “verkkojen verkko”  Toisiinsa yhdistetyt ISP:t (internet- palveluntarjoaja)  Protokollat säätelevät viestien lähetystä ja vastaanottoa  e.g., TCP, IP, HTTP, Skype, 802.11  Internet standardeja  RFC: Request for comments  IETF: Internet Engineering Task Force Internetin perusteet mobiiliverkko globaali ISP alueellinen ISP kotiverkko laitosverkko 1-10

11 What’s the Internet: a service view  Infrastructure that provides services to applications:  Web, VoIP, email, games, e- commerce, social nets, …  provides programming interface to apps  hooks that allow sending and receiving app programs to “connect” to Internet  provides service options, analogous to postal service mobile network global ISP regional ISP home network institutional network Introduction 1-11

12 Mikä on internet: palvelunäkymä  Infrastruktuuri, joka tarjoaa palveluja sovelluksille :  Web, VoIP, email, pelit, verkkokauppa, sosiaalinenmedia, …  Tarjoaa rajapinnan sovelluksille  Hookkeja jotka mahdollistavat sovellusten yhdistymisen verkkoon  Tarjoaa palveluvaihtoehtoja, vastaava postipalvelulle mobiiliverkko globaali ISP alueellinen ISP kotiverkko laitosverkko Introduction 1-12

13 Introduction What’s a protocol? human protocols:  “what’s the time?”  “I have a question”  introductions … specific msgs sent … specific actions taken when msgs received, or other events network protocols:  machines rather than humans  all communication activity in Internet governed by protocols protocols define format, order of msgs sent and received among network entities, and actions taken on msg transmission, receipt 1-13

14 Introduction Mikä on protokolla? Ihmisen protokollia:  “paljonko kello on?”  “Minulla on kysymys”  esittelyt … tietyt lähetetyt viestit … tietyt tehdyt toiminnot kun viesti saadaan, tai muut tapahtumat Verkon protokollia:  Koneita ihmisten sijaan  Kaikkea Internetin toimintaa hallitaan protokollilla Protokollat määrittelevät formaatin, viestien lähetys- ja saapumisjärjestyksen verkkojen kesken ja toimet viestiä lähettäessä ja kuitatessa 1-14

15 Introduction a human protocol and a computer network protocol: Q: other human protocols? Hi Got the time? 2:00 TCP connection response Get http://www.awl.com/kurose-ross time TCP connection request What’s a protocol? 1-15

16 Introduction Ihmisen protokolla ja tietokoneverkon protokolla: Q: muita ihmisten protokollia? moro tere Paljos kello 2:00 TCP vastaus Get http://www.awl.com/kurose-ross aika TCP yhdistämispyyntö Mikä on protokolla? 1-16

17 Introduction Chapter 1: roadmap 1.1 what is the Internet? 1.2 network edge  end systems, access networks, links 1.3 network core  packet switching, circuit switching, network structure 1.4 delay, loss, throughput in networks 1.5 protocol layers, service models 1.6 networks under attack: security 1.7 history 1-17

18 Introduction A closer look at network structure:  network edge:  hosts: clients and servers  servers often in data centers  access networks, physical media: wired, wireless communication links  network core:  interconnected routers  network of networks mobile network global ISP regional ISP home network institutional network 1-18

19 Introduction Lähempi katsaus internetin rakenteeseen:  Reunaverkko:  isännät: asiakkaat ja palvelimet  Serverit usein datakeskuksissa  Liityntäverkko, fyysinen media: langallinen ja langaton tietoliikenneverkko  ydinverkko:  Toisiinsa yhdistetyt reitittimet  Verkkojen verkko mobile network global ISP regional ISP home network institutional network 1-19

20 Introduction Access networks and physical media Q: How to connect end systems to edge router?  residential access nets  institutional access networks (school, company)  mobile access networks keep in mind:  bandwidth (bits per second) of access network?  shared or dedicated? 1-20

21 Introduction Liityntäverkko ja fyysinen media Q: Kuinka liittää päätelaite reunaverkon reitittimeen?  kotiliityntäverkko  Institutionaalinen verkko(koulu, yritys)  Mobiililiityntäverkko Pidä mielessä:  Liityntäverkon kaistanleveys  Jaettu vai omistettu? 1-21

22 Introduction Access net: digital subscriber line (DSL) central office ISP telephone network DSLAM voice, data transmitted at different frequencies over dedicated line to central office  use existing telephone line to central office DSLAM  data over DSL phone line goes to Internet  voice over DSL phone line goes to telephone net  < 2.5 Mbps upstream transmission rate (typically < 1 Mbps)  < 24 Mbps downstream transmission rate (typically < 10 Mbps) DSL modem splitter DSL access multiplexer 1-22

23 Introduction Liityntäverkko: digitaalinen tilaajayhteys(DSL) keskustomisto ISP puhelinverkko DSLAM ääni, data lähetetään Eri taajuuksilla varatulla linjalla keskustoimistoon  Käyttää olemassaolevia puhelinlinjoja toimistolle DSLAM  Data DSL puhelinlinjalla menee internettiin  Ääni DLS puhelinlinjalla menee puhelinverkkoon  < 2.5 Mbps lähetysnopeus ylös(yleensä < 1 Mbps)  < 24 Mbps lähetysnopeus alas(yleensä < 10 Mbps) DSL modem splitter DSL liityntä ottovalitsin 1-23

24 Introduction Access net: cable network cable modem splitter … cable headend Channels VIDEOVIDEO VIDEOVIDEO VIDEOVIDEO VIDEOVIDEO VIDEOVIDEO VIDEOVIDEO DATADATA DATADATA CONTROLCONTROL 1234 56789 frequency division multiplexing: different channels transmitted in different frequency bands 1-24

25 Introduction Liityntäverkko: kaapeliverkko Kaapeli- modeemi jakaja … Kaapelin päävahvistinasema Channels VIDEOVIDEO VIDEOVIDEO VIDEOVIDEO VIDEOVIDEO VIDEOVIDEO VIDEOVIDEO DATADATA DATADATA CONTROLCONTROL 1234 56789 “taajuusosien kanavointi”: eri kanavat lähetetään eri taajuusalueilla 1-25

26 Introduction data, TV transmitted at different frequencies over shared cable distribution network cable modem splitter … cable headend CMTS ISP cable modem termination system  HFC: hybrid fiber coax  asymmetric: up to 30Mbps downstream transmission rate, 2 Mbps upstream transmission rate  network of cable, fiber attaches homes to ISP router  homes share access network to cable headend  unlike DSL, which has dedicated access to central office Access net: cable network 1-26

27 Introduction tieto ja TV lähetetään eri taajuuksilla jaetussa kaapeliyhteyden jakeluverkossa cable modem splitter … cable headend CMTS ISP Kaapeli-modeemin katkaisusysteemi  HFC: hybridi kuitu-koaksaalikaapeli  epäsymmetrinen: ylös lähetysnopeus 30Mbps saakka, alas lähetysnopeus 2 Mbps saakka  Kaapeleiden verkko, kuitu yhdistää kodit ISP:n reitittimeen  kodit jakavat liityntäverkon yhdyskäytävälle  Toisin kuin DSL, jolla on oma yhteys keskustoimistolle Liityntäverkko: kaapeliverkko 1-27

28 Introduction Access net: home network to/from headend or central office cable or DSL modem router, firewall, NAT wired Ethernet (100 Mbps) wireless access point (54 Mbps) wireless devices often combined in single box 1-28

29 Introduction Liityntäverkko: Kotiverkko Päävahvistinasemalta/ -asemalle tai keskustoimistolta/ -toimistolle Kaapeli tai DSL- modeemi reititin, palomuuri, osoitteenmuutos (NAT) langallinen Ethernet (100 Mbps) Langaton yhteyspiste (54 Mbps) Langattomat laitteet Usein yhdistetty yhteen laatikkoon 1-29

30 Introduction Enterprise access networks (Ethernet)  typically used in companies, universities, etc  10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps transmission rates  today, end systems typically connect into Ethernet switch Ethernet switch institutional mail, web servers institutional router institutional link to ISP (Internet) 1-30

31 Introduction Yritysten liityntäverkot (Ethernet)  Käytetään normaalisti yhtiöissä, yliopistoissa, jne.  10 Mbps, 100Mbps, 1Gbps, 10Gbps lähetysnopeudet  Nykyään päätelaitteet yhdistyvät yleensä Ethernet-kytkimelle Ethernet kytkin Institutionaalinen sähköposti, Web-serverit institutionaalinen reititin institutionaalinen linkki ISP:lle (Internet) 1-31

32 Introduction Wireless access networks  shared wireless access network connects end system to router  via base station aka “access point” wireless LANs:  within building (100 ft)  802.11b/g (WiFi): 11, 54 Mbps transmission rate wide-area wireless access  provided by telco (cellular) operator, 10’s km  between 1 and 10 Mbps  3G, 4G: LTE to Internet 1-32

33 Introduction Langattomat liityntäverkot  Jaettu langaton liityntäverkko ydistää päätelaitteen reitittimeen  Kotiaseman, toisinsanoen“liityntäpisteiden”, välityksellä Langattomat lähiverkot:  Rakennuksen sisällä (n. 30m)  802.11b/g (WiFi): 11, 54 Mbps lähetysnopeus Laaja-alainen langaton yhteys  Teleoperaattorin tarjoama operator, kymmeniä kilmetrejä  1 ja 10 Mbps välillä  3G, 4G: LTE to Internet 1-33

34 Host: sends packets of data host sending function:  takes application message  breaks into smaller chunks, known as packets, of length L bits  transmits packet into access network at transmission rate R  link transmission rate, aka link capacity, aka link bandwidth R: link transmission rate host 1 2 two packets, L bits each packet transmission delay time needed to transmit L-bit packet into link L (bits) R (bits/sec) = = 1-34

35 Isäntäkone: lähettää data-paketteja Isäntäkoneen lähetystapa:  Vastaanottaa sovelluksen viestin  Rikkoo sen pienempiin osiin, paketeiksi, jotka ovat kooltaan L bittiä  Lähettää paketit liityntäverkkoon lähetysnopeudella R  Linkin lähetysnopeus, eli linkin suorituskyky, eli linkin kaistanleveus R: linkin lähetysnopeus host 1 2 Kaksi pakettia, Molemmat L-bittisiä Paketin toimituksen viive Aika joka menee L-bittisen paketin siirtoon linkille L (bits) R (bits/sec) = = 1-35

36 Introduction Physical media  bit: propagates between transmitter/receiver pairs  physical link: what lies between transmitter & receiver  guided media:  signals propagate in solid media: copper, fiber, coax  unguided media:  signals propagate freely, e.g., radio twisted pair (TP)  two insulated copper wires  Category 5: 100 Mbps, 1 Gpbs Ethernet  Category 6: 10Gbps 1-36

37 Introduction Fyysinen media  bitti: etenee vastaanotin/lähetin-parien välillä  Fyysinen yhteys: mitä on lähettimen ja vastaanottimen välillä  Ohjattu media:  Signaalit etenevät kiinteässä aineessa: kupari, kuitu, koaksaalikaapeli  Ohjaamaton media:  Signaalit etenevät vapaasti, esim. radio Kierretty parijohto (TP)  Kaksi eristettyä kuparijohtoa  Kategoria 5: 100 Mbps, 1 Gpbs Ethernet  Kategoria 6: 10Gbps 1-37

38 Introduction Physical media: coax, fiber coaxial cable:  two concentric copper conductors  bidirectional  broadband:  multiple channels on cable  HFC fiber optic cable:  glass fiber carrying light pulses, each pulse a bit  high-speed operation:  high-speed point-to-point transmission (e.g., 10’s-100’s Gpbs transmission rate)  low error rate:  repeaters spaced far apart  immune to electromagnetic noise 1-38

39 Introduction Fyysinen media: koksu, kuitu koaksaalikaapeli:  Kaksi samankeskistä kuparijohdinta  kaksisuuntainen  laajakaista:  monta kanavaa kaapelissa  HFC Valokuitukaapeli:  Lasikuitua, joka vie mukanaan valoa, jokainen pulssi vastaa bittiä  Nopea operaatio:  Nopeat pisteeltä pisteelle- lähetykset (esim, 10’s-100’s Gpbs lähetysnopeus)  Vähän virheitä:  Toistimet sijoitettu kauas toisistaan  Immuuni elektromagneetiselle häiriölle 1-39

40 Introduction Physical media: radio  signal carried in electromagnetic spectrum  no physical “wire”  bidirectional  propagation environment effects:  reflection  obstruction by objects  interference radio link types:  terrestrial microwave  e.g. up to 45 Mbps channels  LAN (e.g., WiFi)  11Mbps, 54 Mbps  wide-area (e.g., cellular)  3G cellular: ~ few Mbps  satellite  Kbps to 45Mbps channel (or multiple smaller channels)  270 msec end-end delay  geosynchronous versus low altitude 1-40

41 Introduction Fyysinen media: radio  Signaali liikkuu elektromagneettisesti  Ei fyysistä johdinta  kaksisuuntainen  Ympäristön vaikutukset etenemioseen:  heijastuminen  kappaleiden estäminen  interferenssi Radio-linkkien tyypit:  Maanpäällinen mikroaalto  e.g. kanavat 45 Mbps asti  LAN (e.g., WiFi)  11Mbps, 54 Mbps  Laaja-alue (e.g., matkapuhelinverkko)  3G matkapuhelinverkko: ~ muutama Mbps  satelliitti  Kbps - 45Mbps kanava (tai useita pienempiä kanavia)  270 ms päästä päähän-viive  Geosynkroninen verrattuna pieniin korkeuksiin 1-41

42 Introduction Chapter 1: roadmap 1.1 what is the Internet? 1.2 network edge  end systems, access networks, links 1.3 network core  packet switching, circuit switching, network structure 1.4 delay, loss, throughput in networks 1.5 protocol layers, service models 1.6 networks under attack: security 1.7 history 1-42

43 Introduction  mesh of interconnected routers  packet-switching: hosts break application-layer messages into packets  forward packets from one router to the next, across links on path from source to destination  each packet transmitted at full link capacity The network core 1-43

44 Introduction  Yhdistyneiden reitittimien verkko  Pakettien vaihto: isäntäkoneet rikkovat ohjelmatason viestejä paketteihin  Välittää paketteja reitittimeltä toiselle, reitillä olevien linkkien läpi lähteestä määränpäähän  Jokainen paketti lähetetään täydellä linkin kapasiteetilla Verkon ydin 1-44

45 Introduction Packet-switching: store-and-forward  takes L/R seconds to transmit (push out) L-bit packet into link at R bps  store and forward: entire packet must arrive at router before it can be transmitted on next link one-hop numerical example:  L = 7.5 Mbits  R = 1.5 Mbps  one-hop transmission delay = 5 sec more on delay shortly … 1-45 source R bps destination 1 2 3 L bits per packet R bps  end-end delay = 2L/R (assuming zero propagation delay)

46 Introduction Pakettien vaihto: varastointi ja välitys  Vie L/R sekunttia lähettää L- bittinen paketti linkille R bps- nopeudella  Varastointi ja välitys: Koko paketin täytyy saapua reitittimelle ennen kun se voidaan välittää eteenpäin one-hop numerical example:  L = 7.5 Mbits  R = 1.5 Mbps  one-hop transmission delay = 5 sec more on delay shortly … 1-46 lähde R bps määränpää 1 2 3 L bittiä per paketti R bps  Päästä päähän-viive = 2L/R (oletetaan etenemisen viive olemattomaksi)

47 Introduction Packet Switching: queueing delay, loss A B C R = 100 Mb/s R = 1.5 Mb/s D E queue of packets waiting for output link 1-47 queuing and loss:  If arrival rate (in bits) to link exceeds transmission rate of link for a period of time:  packets will queue, wait to be transmitted on link  packets can be dropped (lost) if memory (buffer) fills up

48 Introduction Pakettien vaihto: viiveen jonotus, menetys A B C R = 100 Mb/s R = 1.5 Mb/s D E queue of packets waiting for output link 1-48 Jonotus ja tiedon menetys:  Jos tiedon saapumisnopeis linkille on suurempi kuin lähetysnopeus tietyn aikaa:  Paketit jäävät jonottamaan lähetystä linkille  Paketteja poistetaan jos jono täyttyy

49 Network Layer 4-49 Two key network-core functions forwarding : move packets from router’s input to appropriate router output routing: determines source- destination route taken by packets  routing algorithms routing algorithm local forwarding table header value output link 0100 0101 0111 1001 32213221 1 2 3 0111 dest address in arriving packet’s header

50 Network Layer 4-50 Verkon ytimen toiminnot kahdella merkillä välitys : liikuttaa paketteja reittimen sisääntulosta sopivaan ulostuloon reititys: määrittää lähteen ja määränpään välisen pakettien reitin  reititysalgoritmit routing algorithm Paikallinen välitystaulu Otsikon arvo ulostulo 0100 0101 0111 1001 32213221 1 2 3 0111 Määränpään osoite saapuvan paketin otsikossa

51 Introduction Alternative core: circuit switching end-end resources allocated to, reserved for “call” between source & dest:  In diagram, each link has four circuits.  call gets 2 nd circuit in top link and 1 st circuit in right link.  dedicated resources: no sharing  circuit-like (guaranteed) performance  circuit segment idle if not used by call (no sharing)  Commonly used in traditional telephone networks 1-51

52 Introduction Vaihtoehtoinen ydin: piirin vaihto resurssit varattu “kutsuille” lähteen ja määränpään välillä:  Diagrammissa jokaisella linkillä on 4 piiriä  Kutsu saa 2. piirin ylälinkissä ja 1. piirin oikealla puolella olevassa linkissä  Erilliset resurssit: ei jakamista  piirimäinen (varma) toiminta  Piirin osa toimettomana jos ei käytetä kutsussa (ei jakoa)  Käytetään perintäisissä puhelinverkoissa 1-52

53 Introduction Circuit switching: FDM versus TDM FDM frequency time TDM frequency time 4 users Example: 1-53

54 Introduction Packet switching versus circuit switching example:  1 Mb/s link  each user: 100 kb/s when “active” active 10% of time  circuit-switching:  10 users  packet switching:  with 35 users, probability > 10 active at same time is less than.0004 * packet switching allows more users to use network! N users 1 Mbps link Q: how did we get value 0.0004? Q: what happens if > 35 users ? ….. 1-54 * Check out the online interactive exercises for more examples

55 Introduction Pakettien vaihto vs. piirin vaihto esimerkki:  1 Mb/s linkki  Jokainen käyttäjä: 100 kb/s aktiivisena aktiivisena 10% ajasta  Piirin vaihto:  10 käyttäjää  Pakettien vaihto:  35 käyttäjällä, todennäköisyys > 10 aktiivisena samaan aikaan vähemmän kuin.0004* Pakettien vaihto sallii useampien käyttäjien verkon käyttämisen! N users 1 Mbps link Q: how did we get value 0.0004? Q: what happens if > 35 users ? ….. 1-55 * Check out the online interactive exercises for more examples

56 Introduction  great for bursty data  resource sharing  simpler, no call setup  excessive congestion possible: packet delay and loss  protocols needed for reliable data transfer, congestion control  Q: How to provide circuit-like behavior?  bandwidth guarantees needed for audio/video apps  still an unsolved problem (chapter 7) is packet switching a “slam dunk winner?” Q: human analogies of reserved resources (circuit switching) versus on-demand allocation (packet-switching)? Packet switching versus circuit switching 1-56

57 Introduction  Hyvä tiedonkäytölle, joka on ajoittain suurta  Resurssien jakaminen  Yksinkertaisempi, ei kutsujen astusta  Liiallinen ruuhka mahdollista: pakettien viivettä ja menetystä  Tarvitaan protokollat luotettavaan tiedonsiirtoon, ruuhkan estoon  Q: Kuinka tuottaa piirimäinen toiminta?  Tarvitaan varmistuksia kaistanleveydellle ääni/video- ohjelmia varten  Yhä ratkaisematon ongelma onko pakettien vaihto selvä voittaja? Q: human analogies of reserved resources (circuit switching) versus on-demand allocation (packet-switching)? Pakettien vaihto vs piirin vaihto 1-57