Computerarchitectuur en netwerken. Lagenmodel Applicatieprotocollen

Transcriptie

1 Computerarchitectuur en netwerken 8 Lagenmodel Applicatieprotocollen Lennart Herlaar 29 september 2015

2 Inhoud Berekeningen vertraging Lagenmodel Toepassingslaag: HTTP SMTP POP/IMAP DNS Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 1

3 Résumé vertraging Transmission delay tijd die nodig is om alle bits van een pakket uit te sturen L/R L = het aantal bits in het pakket R = de overdrachtssnelheid in bits/sec Propagation delay d/s d = afstand s = snelheid van het signaal over het medium Processing delay + Queuing delay: kan variëren Meestal is er heen en weer communicatie, de tijd hiervoor is RTT (round-trip-time) RTT = 2 vertraging in één richting Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 2

4 Berekeningsvoorbeeld 1 Circuitswitching We hebben een verbinding met een snelheid van 1,536 Mb/sec met een TDM van 24 slots (een zogenaamde T1 verbinding met 24 ISDN kanalen) Mb/sec = 1536 kb/sec. Elk virtueel circuit heeft dus 1536/24 = 64 kb/sec. Stel we willen een bestand van 640 kbits oversturen. Het oversturen kost dus 640/64 = 10 sec. Maar er komt nog bij: het opzetten van een virtueel circuit (opbellen), stel 0.5 sec. Propagation delay: hangt af van de afstand. Queueing delay is bij virtuele circuits niet van toepassing Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 3

5 Berekeningsvoorbeeld 2 Packetswitching Stel we delen het bestand op in pakketten van 640 bits Transmission delay voor een pakket 640/ = sec = msec Neem even aan dat er geen processing en queueing delay is. Elk pakket doet er dan msec over om in een router binnen te komen. De router stuurt het direct daarna naar de volgende router Bij 10 routers = msec. Als het netwerk verder stil is dan komen de andere pakketten direct daarna binnen met een snelheid van 1536 kb/sec. Voor 999 pakketten is dit ongeveer 416,3 msec. Totaal 420,5 msec. Maar er komt nog bij: Propagation delay: hangt af van de afstand. Queueing en processing delay: hangt af van de drukte. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 4

6 Inhoud Berekeningen vertraging Lagenmodel = Toepassingslaag: HTTP SMTP POP/IMAP DNS Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 5

7 Lagenstructuur In een netwerk zijn veel problemen die opgelost moeten worden: Hoe moeten de verbindingen gemaakt worden? Hoe krijg je een boodschap van A naar B? Hoe moeten de boodschappen eruit zien? Wat doen we als er iets fout gaat? Hoe passen we het netwerk aan i.v.m. toekomstige ontwikkelingen? Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 6

8 Lagenstructuur In een netwerk zijn veel problemen die opgelost moeten worden: Hoe moeten de verbindingen gemaakt worden? Hoe krijg je een boodschap van A naar B? Hoe moeten de boodschappen eruit zien? Wat doen we als er iets fout gaat? Hoe passen we het netwerk aan i.v.m. toekomstige ontwikkelingen? Om deze problemen makkelijker te kunnen aanpakken is de structuur van een gedistribueerd systeem (netwerk) in abstracte lagen opgedeeld Elke laag lost een eigen verzameling deelproblemen op Elke laag maakt gebruik van de onderliggende laag. Elke laag heeft zijn eigen verantwoordelijkheid. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 6

9 Lagen model in netwerken OSI = Open Systems Interconnection bedacht door het ISO (International Standards Organisation). We gebruiken een deel van dit model 5 applicatie applicatie 4 transport transport 3 netwerk netwerk 2 datalink subnet datalink 1 fysisch fysisch In het officiële model nog twee lagen Sommige lagen opgedeeld in sublagen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 7

10 Diensten en Protocollen 1 Elke laag biedt een aantal standaard functies (diensten) aan de bovenliggende laag aan. Bijvoorbeeld: Maak een verbinding tussen A en B die aan bepaalde eisen (bijv. capaciteit) voldoet Stuur een bericht van A naar B en zorg dat het goed aankomt ook als er onderweg iets misgaat. De lagen voeren de opdrachten uit door berichtjes tussen de uitvoerende instanties (stukken hardware/software) uit te wisselen: de regels waaraan deze berichten moeten voldoen heten een protocol. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 8

11 Diensten en Protocollen 2 Elke laag (behalve de onderste) maakt gebruik van de diensten van de onderliggende laag om zijn berichten te verzenden. Een laag kan een bericht van een bovenliggende laag opsplitsen, samenvoegen, er een envelop omheen zetten, en eigen administratieve berichten versturen. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 9

12 Diensten en protocollen 3 Elke laag voegt een eigen header toe en vormt zo zijn eigen PDU = Protocol Data Unit = bericht dat protocol gebruikt Vergelijk enveloppen/postzakken data link netw transp data Elke laag gebruikt de onderliggende laag om zijn PDU s te laten versturen: laag n+1 protocol laag n+1 laag n dienst PDU n+1 protocol PDU n laag n dienst Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 10

13 1. Fysische (fysieke) Laag Hoe breng ik een rij bits over een communicatiekanaal heen? Standaarden voor communicatie-media (telefoonlijnen, TV-kabel, satelliet, glasvezel, etc.) Elektrische eigenschappen Aansluitpunten De laag garandeert niet dat de bits ook goed aankomen (maar de ontwerpen proberen de betrouwbaarheid wel zo groot mogelijk te maken) Er zijn intrinsieke beperkingen aan het aantal bits dat je in een medium kunt transporteren. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 11

14 2. Datalink Laag Doel: Betrouwbare communicatie tussen twee punten die door een medium verbonden zijn De over te sturen bits worden in frames verdeeld Ieder frame krijgt extra informatie zodat begin en einde te herkennen zijn. Ieder frame krijgt extra informatie zodat fouten te detecteren zijn (checksum) Frames die kwijtraken of verminkt worden, moeten opnieuw gestuurd worden (protocol). Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 12

15 3. Netwerk Laag Het belangrijkste probleem dat de netwerklaag moet oplossen is routering: A Hoe krijg ik een boodschap van A naar B? De knopen in het netwerk moeten gegevens uitwisselen over de topologie van het netwerk B Wat is de kortste/goedkoopste/snelste route? In het Internet wordt het IP protocol gebruikt (IP=Internet protocol) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 13

16 4. Transportlaag De transportlaag moet de onbetrouwbaarheid van het subnet oplossen. process A virtual channel network process B De transportlaag verbindt processen met een virtueel kanaal. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 14

17 5. Toepassingslaag Bevat alle toepassingen die van het netwerk gebruik maken Usenet WWW FTP EDI (Electronic Data Interchange) BitTorrent,... Skype,... Etc. Het aantal toepassingen is onbeperkt Er worden voortdurend nieuwe protocollen uitgevonden Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 15

18 In het OS Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 16 Relatie Applicatie-Transport Laag host of server host of server proces socket TCP met buffers, variabelen Applicatie programmeur Internet proces socket TCP met buffers, variabelen

19 Inhoud Berekeningen vertraging Lagenmodel Toepassingslaag: HTTP = SMTP POP/IMAP DNS Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 17

20 HTTP HTTP (HyperText Transfer Protocol) is een simpel protocol voor het oversturen van bestanden Niet alleen voor hypertext (HTML) documenten Zeer algemeen bruikbaar: HTML bestanden plaatjes toegang tot databases (webmail) remote files (WebDAV) chatten etc. Basis is een GET commando van cliënt naar server Server stuurt bestand of antwoord terug Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 18

21 HTTP protocol PC running Explorer HTTP request HTTP response HTTP request HTTP response Server running Apache Web server Mac running Navigator Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 19

22 HTTP structuur verzoek begint met: GET regel (of HEAD/POST/PUT) gevolgd door een aantal headers afgesloten met lege regel Bij andere opdrachten evt. nog een body Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 20

23 HTTP structuur verzoek begint met: GET regel (of HEAD/POST/PUT) gevolgd door een aantal headers afgesloten met lege regel Bij andere opdrachten evt. nog een body GET /docs/vakken/nw/nieuws.html HTTP/1.1 Connection: Keep-Alive User-Agent: Mozilla/4.73 [en] (Windows NT 5.0; U) Host: sunshine.cs.uu.nl:80 Accept: image/gif, image/x-xbitmap, image/jpeg,... Accept-Encoding: gzip Accept-Language: en,pdf Accept-Charset: iso ,*,utf-8 De body was leeg Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 20

24 Response De response bestaat uit een succes of fout code headers lege regel zo nodig body (document) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 21

25 Response De response bestaat uit een succes of fout code headers lege regel zo nodig body (document) HTTP/ OK Server: Apache... Connection: close Set-Cookie: session=xxxx; domain=.cs.uu.nl; Last-Modified: Wed, 16 Dec :12:00 GMT MIME-version: 1.1 Content-Type: text/html Content-Length: <inhoud van de file> Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 21

26 Niet-Persistente verbindingen Oorspronkelijk voor elk document (bijvoorbeeld een plaatje) een aparte verbinding Tijdsduur = RTT voor opzetten verbinding + RTT voor document Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 22

27 Niet-persistent begin TCP connectie RTT verzoek bestand RTT bestand ontvangen Tijd om bestand te verzenden tijd tijd Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 23

28 Persistente verbindingen Persistente verbinding: Gebruik dezelfde verbinding voor meerdere documenten van dezelfde server Scheelt telkens RTT voor opzetten van de verbinding Kan met HTTP versie 1.1 Cliënt verzoekt, server kan wel of niet doen. Verzoeken kunnen één voor één of gepipelined gedaan worden In het laatste geval overlap tussen verzoek en response Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 24

29 Persistent begin TCP connectie RTT verzoek bestand RTT bestand ontvangen verzoek bestand RTT bestand ontvangen Tijd om bestand te verzenden Tijd om bestand te verzenden tijd tijd Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 25

30 Persistent met pipelining begin TCP connectie RTT verzoek bestand RTT Tijd om bestand te verzenden bestand ontvangen tijd tijd Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 26

31 Browser cache Browser kan cache bijhouden Server kan aangeven (header) dat bestand niet gecached moet worden Cache houdt leeftijd van bestand bij Browser kan vragen om bestand alleen te sturen als nieuwer is (header) If-modified-since: Wed, 16 Dec :12:00 GMT Als er geen nieuwere versie is dan continuatie code lege body wordt dan verzonden HTTP/ Not modified Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 27

32 Web cache Caching kan ook in het netwerk gebeuren. Gebeurt via een aparte proxy server Voordeel: als meerdere mensen hetzelfde document opvragen is het er al Kan bottleneck in het netwerk verminderen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 28

33 Web Cache 2 Stel 15 requests/sec, gemiddeld bits/request = 1.5Mb/sec. Zonder cache: LAN heeft bezetting van 15%, link heeft 100%, dus oneindige wachtrij!! Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 29

34 Web Cache 2 Stel 15 requests/sec, gemiddeld bits/request = 1.5Mb/sec. Zonder cache: LAN heeft bezetting van 15%, link heeft 100%, dus oneindige wachtrij!! Met cache: Stel hitrate = 40%, dan moet 60% van de verzoeken door de link, dus bezetting link = 60% Dus veel kleinere responsetijd. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 29

35 Andere HTTP commando s HEAD stuurt alleen de headers, niet de body POST gebruikt om formulieren op te sturen of files te uploaden body bevat formulier en/of bestand (MIME) PUT voor speciale toepassingen (HTML pagina s uploaden) Voor WebDAV zijn er nog andere commando s Voor allerlei toepassingen zijn er nog headers Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 30

36 Inhoud Berekeningen vertraging Lagenmodel Toepassingslaag: HTTP = SMTP POP/IMAP DNS Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 31

37 opzet MUA (Mail User Agent) programma van de gebruiker Lezen, organiseren, verzenden van berichten Meestal op je eigen PC MTA (Mail Transfer Agent) Programma s die de berichten door het netwerk verzenden Meestal op de servers van je ISP of bedrijf Post Office Computer waar de berichten ontvangen en mailboxen bewaard worden Vaak gecombineerd met MTA Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 32

38 SMTP (Simple Mail Transport Protocol) voor het verzenden van (initiatief bij verzender = push protocol) POP3 (Post Office Protocol) en IMAP (Internet Message Access Protocol) voor het ophalen van (initiatief bij ontvanger = pull protocol) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 33

39 SMTP Protocol 220 mail.cs.uu.nl ESMTP Postfix HELO nono.cs.uu.nl 250-mail.cs.uu.nl MAIL FROM: 250 Ok RCPT TO: 250 Ok DATA 354 End data with <CR><LF>.<CR><LF> From: To: Subject:... Message text Ok: queued as A B QUIT 221 Bye Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 34

40 SMTP en MIME Het SMTP protocol kijkt niet in de inhoud van de boodschap Boodschap bestaat uit headers (From: To: Cc: Subject: etc) en body Gescheiden door lege regel Het adres van zender en ontvanger moet in SMTP apart opgegeven worden (MAIL FROM: en RCPT TO:) Dit kan anders zijn dan in de headers van de boodschap staat Wordt gebruikt voor Bcc: (niet in headers, wel RCPT TO:) Body moet in principe ASCII tekst zijn Andere inhoud wordt gecodeerd met MIME (Multipurpose Internet Mail Extensions) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 35

41 Inhoud Berekeningen vertraging Lagenmodel Toepassingslaag: HTTP SMTP POP/IMAP = DNS Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 36

42 POP3/IMAP POP3 wordt gebruikt om van het Post Office naar je PC te halen Beheer van je gebeurt in principe op je eigen PC (opdelen in mailboxen etc.) Op Post Office alleen 1 mailbox voor het ontvangen van POP3 kent geen Mime IMAP heeft de mogelijkheid om verschillende mailboxen op het Post Office te bewaren Berichten verplaatsen tussen de mailboxen Mailboxen blijven in principe op Post Office staan Ook mogelijk attachments afzonderlijk op te halen IMAP is vooral handig als je op verschillende PC s gelezen moet worden Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 37

43 Web-based Omdat je HTTP voor bijna alles kunt gebruiken is het ook geschikt voor (Hotmail, Gmail, etc.) SMTP SMTP server MUA Web server met webmail extensie POP3/IMAP Post Office server Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 38

44 Inhoud Berekeningen vertraging Lagenmodel Toepassingslaag: HTTP SMTP POP/IMAP DNS = Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 39

45 Internet adressering Computers (eigenlijk netwerkinterfaces) op het Internet hebben een IP nummer als adres IP nummer (IP-adres) is (nog) 32 bits (wordt 128 bits) Wordt meestal als 4 bytes genoteerd: De nummers zijn nodig voor de routers (IP protocol) Nummers zijn niet handig voor mensen Internet namen zijn hiërarchisch georganiseerd Top-level domeinen: com, org, edu, nl, be, fr, es, uk, eu,... Hierbinnen verdeling: cnn.com, uu.nl, fnac.es, co.uk, ac.uk,... Verdeling kan willekeurig diep voortgezet worden: cs.uu.nl, demon.co.uk, cl.cam.ac.uk Er is geen logische relatie met IP nummers Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 40

46 DNS DNS = Domain Name System Gedistribueerde database voor het omzetten van namen naar nummers (en v.v.) Nameserver zet naam om in bijbehorend IP-adres Een centrale database is ondoenlijk: Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 41

47 DNS DNS = Domain Name System Gedistribueerde database voor het omzetten van namen naar nummers (en v.v.) Nameserver zet naam om in bijbehorend IP-adres Een centrale database is ondoenlijk: te kwetsbaar (single point of failure) te druk (CPU en netwerkverkeer) moeilijk te beheren niet schaalbaar Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 41

48 DNS DNS = Domain Name System Gedistribueerde database voor het omzetten van namen naar nummers (en v.v.) Nameserver zet naam om in bijbehorend IP-adres Een centrale database is ondoenlijk: te kwetsbaar (single point of failure) te druk (CPU en netwerkverkeer) moeilijk te beheren niet schaalbaar Daarom gedistribueerd: ongeveer volgens de domeinen Aparte top-level nameservers Aparte nameservers voor nl, uu.nl, cs.uu.nl... Sommige nameservers beheren meerdere domeinen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 41

49 DNS voorbeeld nono.cs.uu.nl wil connectie maken met nono weet dat er een nameserver zit op (ingesteld) nono vraagt aan wat het IP adres van is weet het niet!! Wat nu? Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 42

50 DNS voorbeeld nono.cs.uu.nl wil connectie maken met nono weet dat er een nameserver zit op (ingesteld) nono vraagt aan wat het IP adres van is weet het niet!! Wat nu? moet aan andere nameserver vragen of moet proberen uit te vinden welke nameserver het wel weet vraagt aan de root nameserver Root nameserver weet IP adressen van nameservers voor top-level domains (.com,.nl,.uk etc) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 42

51 Scenario 1 verzoekende host locale nameserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 43

52 Scenario verzoekende host locale nameserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 44

53 Scenario 2 Root nameserver Authoritive nameserver cam.ac.uk verzoekende host locale nameserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 45

54 Scenario 2 Root nameserver Authoritive nameserver cam.ac.uk verzoekende host locale nameserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 46

55 Scenario 2 Root nameserver 3 Authoritive nameserver cam.ac.uk verzoekende host locale nameserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 47

56 Scenario 2 Root nameserver 3 Authoritive nameserver cam.ac.uk verzoekende host locale nameserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 48

57 Scenario 2 Root nameserver 3 Authoritive nameserver cam.ac.uk verzoekende host locale nameserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 49

58 Scenario 2 Root nameserver 3 Authoritive nameserver cam.ac.uk verzoekende host locale nameserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 50

59 Tussenliggende nameservers Vaak weet de root nameserver niet de uiteindelijke (authoritive/verifiërende) nameserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 51

60 Tussenliggende nameservers Vaak weet de root nameserver niet de uiteindelijke (authoritive/verifiërende) nameserver Maar wel een tussenliggende nameserver (bijv.uk of.ac.uk) De nameserver van.uk weet het wel of weet de nameserver van.ac.uk) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 51

61 Tussenliggende nameservers Vaak weet de root nameserver niet de uiteindelijke (authoritive/verifiërende) nameserver Maar wel een tussenliggende nameserver (bijv.uk of.ac.uk) De nameserver van.uk weet het wel of weet de nameserver van.ac.uk) Recursieve vs. iteratieve queries Bij recursieve query vraagt een nameserver aan een andere en geeft het antwoord terug Bij iteratieve query geeft nameserver alleen het adres van een andere nameserver terug Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 51

62 Iteratieve query Root nameserver Authoritive nameserver cam.ac.uk 3 adres nameserver verzoekende host locale nameserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 52

63 Iteratieve en recursieve query Root nameserver Tussenliggende nameserver.uk 5 Authoritive nameserver cam.ac.uk 3 6 adres nameserver verzoekende host locale nameserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 53

64 DNS Cache Om het DNS systeem niet teveel te belasten worden teruggegeven antwoorden in een cache bewaard Na verloop van tijd worden ze uit de cache verwijderd Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 54

65 DNS Cache Om het DNS systeem niet teveel te belasten worden teruggegeven antwoorden in een cache bewaard Na verloop van tijd worden ze uit de cache verwijderd In de nameservers staat een file (database) met informatie over o.a. de locale namen Info over waar de rootservers staan (IP-adresssen) A-records: vertaalt DNS naam naar IP-adres NS-record: naam van een nameserver voor een domein (vertaling van naam naar IP-adres moet er ook instaan) CNAME-record: alias (bijv. joan.dmz.cs.uu.nl) MX-records voor (SMTP): vertelt waar mail voor afgeleverd moet worden (bijv. cs.uu.nl smtp.cs.uu.nl) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 54

66 Schaalbaarheid van services Sommige services worden zoveel gebruikt dat ze op meerdere servers moeten draaien. Bijvoorbeeld In dat geval levert de DNS query een rij IP-adressen op. Telkens in een andere volgorde Applicatie kiest de eerste (of een die werkt) Op deze manier wordt het werk verdeeld over de vele computers Er zijn ook andere manieren (bijvoorbeeld load-balancing routers) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 55

67 Samenvatting Het lagenmodel maakt de structuur van het internet beheersbaar De toepassingslaag bevat alles waar je direct mee te maken krijgt In principe een onbeperkte hoeveelheid toepassingen en protocollen Het meest gebruikt zijn tegenwoordig HTTP en Bij heb je met diverse protocollen te maken: SMTP, POP, IMAP DNS is een applicatieprotocol om namen naar IP adressen te vertalen en het Internet mensvriendelijk te maken Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 8 56