Communicatie tussen Computers

Transcriptie

1 Communicatie tussen Computers Deel II : Cowley H. 4, 5 Peter van Kranenburg

2 Vandaag Recap Codering Switching LAN WAN

3 Netwerkmodel: OSI Lagen Source Destination Application Stream of data Application Stream Presentation Stream of data Presentation Stream Session Stream of data Session Stream Transport Data Data Data Transport Segment Network Network Header Data Network Datagram (Packet) Data link Frame Header Network Header Data Frame Trailer Data link Frame Physical Physical Bits Physical Network Medium

4 Vandaag Recap Codering Switching LAN WAN

5 Van data naar signaal Van digitale data naar een digitaal (fysiek) signaal Bijv. voor kopergeleider 0 0 Volt 1 5 Volt Maar geen data is ook 0 volt, dus ambiguïteit Daarom Non-Return to Zero (NRZ) codering: 0-5 Volt

6 Van data naar signaal Manchester encoding: elk bit heeft een spannings-verandering Ontvanger hoeft slechts op verandering in voltage te wachten Klok met data-signaal meegeleverd Toegepast in 10 Mbps Ethernet NRZ Manchester

7 Fouten toevoeging van ongewenst signaal aan kanaal Synchronisatiefouten Signaal-ruisverhouding neemt toe met afstand verschillende foutentypes (bijv. hele pakketjes of enkel bit)

8 Foutencontrole Foutendetectie controleren of een fout is opgetreden Automatic Repeat Request Foutencorrectie een ontdekte fout corrigeren Forward Error Correction Relevantie bankieren, besturing van machines, Altijd toevoeging van extra (redundante) bits

9 Foutendetectie Pariteitscheck: Toevoeging van extra bit. Bijvoorbeeld: 1 als totaal aantal 1-nen oneven 0 als totaal aantal 1-nen even Checksum (controle-som): Bijvoorbeeld: tel alle data-bytes bij elkaar op en verzend het totaal Cyclic Redundancy Check: Zender berekent modulo-2 deling: getalswaarde data block / een goed-gekozen binair getal De rest na deling wordt meegezonden Ontvanger controleert de uitkomst van de deling met dezelfde deler Kan gemakkelijk in hardware worden uitgevoerd met XOR en shift

10 Foutcorrectiecodes (FEC) Zodanig toevoegen van bits dat de ontvanger zelf kan corrigeren. Essentieel bij simplex! Bij duplex vaak combinatie van RQ en FEC Voorbeeld 2-dimensionaal parity checking (werkt slechts bij een fout van één bit) No errors One bit in error Parity Failure Parity Failure

11 Communicatie over fouten Nodig als geen foutcorrectiecode wordt gebruikt, of als deze niet toereikend is. Automatic Repeat Request (ARQ) idle RQ continuous RQ

12 Idle RQ (Stop-And-Wait) De zender zendt een blok data en wacht op bevestiging van de ontvanger De ontvanger checkt wat hij heeft gekregen Zonder fouten ACK (acknowledgement) Met fouten blok weggooien en NAK versturen (negative ackn.)

13 Idle RQ (Stop-And-Wait) Sender: Message N Wasted Time Message N + 1 Receiver: ACK N Drie situaties: er komt niets aan (geen ACK of NAK) time out resend er is een fout gedetecteerd (NAK) er is geen fout gedetecteerd (ACK) Twee problemen: Voortdurend wachten op ACK/NAK Blokken moeten bewaard blijven zolang ze niet bevestigd zijn

14 Continuous RQ Sender: Message N - 1 Message N Message N + 1 Message N + 2 Message N + 3 Receiver: ACK N - 2 ACK N - 1 ACK N ACK N + 1 Time Continue verzending van pakketjes (efficiënter) Zender stuurt identificatie mee (bijv. volgordenummer) Ontvanger stuurt acknowledgement terug, met volgordenummer Twee hertransmissie mechanismes go-back-n selective retransmission

15 Continuous RQ: Go-Back-N Zender begint opnieuw boodschappen te zenden vanaf foute boodschap. Sender: Message N - 1 Message N Message N + 1 Message N + 2 Message N + 3 Message N + 1 Message N + 2 Message N + 3 Receiver: ACK N - 2 ACK N - 1 ACK N NAK N + 1 ACK N + 1 ACK N + 2

16 Continuous RQ: Selective Retransmission Verstuur alleen de foute boodschap opnieuw Sender: Message N - 1 Message N Message N + 1 Message N + 2 Message N + 3 Message N + 1 Message N + 4 Message N + 5 Receiver: ACK N - 2 ACK N - 1 ACK N NAK N + 1 ACK N + 2 ACK N + 3 ACK N + 1 ACK N + 4 Bij go-back-n blokken moeten onnodig opnieuw verstuurd worden Bij selective transmission meer (buffer)opslag nodig bij de ontvanger voor blokken die uit volgorde ontvangen zijn

17 Vandaag Codering Switching LAN WAN

18 Switching Een switch maakt tijdelijke verbindingen. B A C A B of A C A B 4 8 E F C 5 D 6 7

19 Switching A B 4 8 E F C 5 D 6 7

20 Switching A B 4 8 E F C 5 D 6 Drie technieken: Circuit switching Maak eerst dedicated path (denk aan telefoon) Message switching Verstuur de hele boodschap van switch naar switch Packet switching Boodschap voor verzending in stukjes hakken (packets) Twee soorten: Datagram en virtual circuit packet switching 7

21 Circuit Switching A B 4 8 E F C 5 D 7 1. Zet goede kanaal open dedicated path 2. Verstuur boodschap 3. Ontkoppelen 6

22 Message Switching (store and forward) Message switching Voeg bestemmingsadres toe aan de hele boodschap De hele boodschap gaat van switch naar switch Niet nodig vooraf een dedicated path op te zetten Nadelen Veel opslagruimte op switches nodig Lange doorvoertijd

23 Message Switching (store and forward) A B 4 8 E F C 5 D 7 1. Zender voegt adres toe 6 2. Verstuur boodschap 3. Switch leest geheel in en verwerkt 4. Stuurt door naar volgende

24 Packet Switching Boodschap voor verzending in stukjes hakken (packets) Packets krijgen een bestemmingsadres Sneller dan message switching Packets voor verschillende verbindingen kunnen over hetzelfde kanaal Twee soorten: Datagram en virtual circuit packet switching

25 Packet Switching Datagram Packet Switching Ieder pakketje bevat het bestemmingsadres Verschillende pakketjes van een boodschap kunnen verschillende routes nemen Dus nummering van pakketten noodzakelijk (immers pakket 2 kan nu eerder aankomen dan pakket 1) Virtual circuit Packet Switching Er wordt van te voren een route vastgesteld Adressering met virtuele circuit nummers (geeft aan tot welk virtueel circuit een pakket hoort) Twee vormen Switched virtual circuits (SVCs) (tijdelijk) Permanent virtual circuits (PVCs) (door netwerk administrator)

26 Packet Switching Datagram Packet Switching Ieder pakketje bevat het bestemmingsadres Verschillende pakketjes bij een boodschap kunnen verschillende routes nemen Dus nummering van boodschappen noodzakelijk (immers boodschap 2 kan nu eerder aankomen dan 1) Virtual circuit Packet Switching Er wordt van te voren een route vastgesteld Adressering met virtuele circuit nummers (geeft aan tot welk virtueel circuit een pakket hoort) Twee vormen Switched virtual circuits (SVCs) (tijdelijk) Permanent virtual circuits (PVCs) (door netwerk administrator)

28 LAN LAN: Local Area Network Klein geografisch gebied (één of enkele gebouwen) Meestal binnen een organisatie Meestal hoge data-transfer rate WLAN: Wireless LAN

29 LAN Ontwerpbeslissingen bij het opzetten van een LAN peer-to-peer of client-server? draadloos of bedraad? welke netwerktechnologie gebruiken? Ethernet Token passing LAN FDDI Asynchronous Transfer Mode LAN HomePlug LAN meest gebruikt

30 LAN: Ethernet (IEEE 802.3) Onderdeel van een familie van standaarden (IEEE 802) Beheerd door IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee IEEE Ethernet Working Group (

31 LAN: Ethernet Uit: 802 Overview and Architecture (versie 2014)

32 LAN: Ethernet Standaarden voor functionaliteit op OSI-lagen 1 en 2: Logical Link Control (LLC) Medium Access Control (MAC) OSI: Data Link Layer Physical Layer

33 LAN: Ethernet Fysische laag transmissiemedium codering van bits MAC laag (onderste sublaag van OSI laag 2) gebruikt functionaliteit van fysische laag om een dataframe te versturen van source naar destination (MAC adres) Zorgt voor collision-detection Logical Link Control laag (bovenste sublaag van OSI laag 2) IEEE Zorgt voor multiplexing van bovenliggende protocollen Ontvangende proces kan zien waar de ontvangen data naartoe moet; welk protocol in laag 3 (Service Access Point address) Zorgt voor flow-control

34 LAN: Ethernet - Transmissiemedia Standaards voor verschillende transmissiemedia. 40GBASE-T Data rate Basisband Medium

35 LAN: Ethernet - Transmissiemedia Standaards voor verschillende transmissiemedia: 100BASE-TX: 100 Mb/s over UTP Cat5 (100 m) 100BASE-FX: 100 Mb/s over glasvezel (2 km) 1000BASE-T: 1 Gb/s over UTP Cat5e (100 m) 1000BASE-LX: 1 Gb/s over Singlemode glasvezel (2 km) 1000BASE-SX: 1 Gb/s over Multimode glasvezel (240 m) 10GBASE-T: 10 Gb/s over UTP Cat6a (100 m) 10GBASE-SR: 10 Gb/s over Multimode glasvezel (80 m) 10GBASE-ER: 10 Gb/s over Singlemode glasvezel (40 km) 40GBASE-T: 40 Gb/s over UTP Cat8 (30 m) 40GBASE-SR4: 40 Gb/s over Multimode glasvezel (100 m) 40GBASE-ER: 40 Gb/s over Singlemode glasvezel (40 km) 100GBASE-SR4: 100 Gb/s over Multimode glasvezel (100 m) 100GBASE-ER: 100 Gb/s over Singlemode glasvezel (40 km)

36

37 LAN: Componenten & Devices Verschillende soorten apparaten nodig: hosts (pc, laptop, server) met NIC randapparatuur (printer, scanner, ) patch panel hub switch router

38 LAN: Componenten & Devices Elke pc op het LAN heeft een NIC (Network Interface Card) (ofwel: netwerkfunctionaliteit is geïntegreerd op moederbord) NIC verzendt en ontvangt data volgens de regels voor het fysieke medium Voor elke netwerktechnologie een specifieke NIC nodig Elke NIC heeft een adres (MAC address)

39 MAC address Elke IEEE 802 hardware interface heeft een uniek fysiek adres Media Access Control Address (MAC address) 6 bytes: 2 48 (> 281 biljoen) adressen mogelijk Notatie hexadecimaal, bijvoorbeeld: 00:02:44:37:60:FA Bytes 1 t/m 3: uniek voor de fabrikant (zie: macvendors.com) Broadcast adres: FF:FF:FF:FF:FF:FF (alle interfaces op het netwerk) Vaak te vinden op een label op het apparaat

40 MAC address

41 LAN: Componenten & Devices Patch panel: Hulpmiddel om netwerkapparatuur met elkaar te verbinden Front Back

42 LAN: Componenten & Devices Hub: Stuurt alle dataverkeer dat een poort binnenkomt door naar alle andere poorten Vervult OSI Layer 1 functie Star Switch/Bridge: Stuurt inkomend dataverkeer alleen door via de port waarop de ontvanger te bereiken is Vervult OSI Layer 2 functie Star

43 LAN: Components & Devices Verbinding d.m.v. een hub is logisch equivalent met verbinding d.m.v. een bus. Bus Star

44 LAN: CSMA/CD Oorspronkelijke topologie Ethernet: BUS Bus Probleem als meerdere computers tegelijk zenden zender luistert naar kanaal (carrier sense) Bij geen activiteit: zenden Bij botsing : zender verstuurt jamming signal Zender wacht random tijd en probeert opnieuw In switched netwerken is dit niet meer nodig.

45 LAN: Componenten & Devices Hub: Alle computers zien elkaars dataverkeer Inefficiënt gebruik van de netwerkcapaciteit. Star Switch: Alleen de verbindingen die nodig zijn worden gebruikt Efficiënter gebruik van de netwerkcapaciteit Star

46 LAN: Componenten & Devices

47 LAN: Componenten & Devices Router: Zorgt voor routering van layer 3 netwerk packets (N.B. dus niet van layer 2 dataframes) Vervult OSI Layer 3 functie Kan een route vinden tussen computers op verschillende LANs

48 LAN: Ethernet Dataframe Ethernet II / frame: 64 bits 48 bits 48 bits 32 bits 16 bits bits 32 bits Preamble Destination Address Source Address Tag Length/ Type Data Frame Check Sequence bij VLAN Layer 2 header L2 trailer Bij 802.3: LLC header + data Zie Cowley

49 LAN: Switch Switch/Bridge: Stuurt inkomend dataverkeer alleen door via de port waarop de ontvanger te bereiken is Vervult OSI Layer 2 functie Star

50 LAN: Switch Hoe weet een switch naar welke poort een frame doorgestuurd moet worden? Een switch houdt een MAC adres tabel bij MAC adres, Uitgaande poort Switch is zelflerend door langskomend verkeer te analyseren Star

51 LAN: Switch PC4 MAC: DDD poort 3 poort 2 PC3 MAC: CCC PC2 MAC: BBB PC4 stuurt PC3 een frame Komt binnen op poort 3 Switch weet nu dat adres DDD te bereiken is via poort 3 en slaat dat op de tabel: MAC DDD 3 Port poort 4 poort 1 PC1 MAC: AAA Als het bestemmingsadres van een inkomend frame niet in de tabel staat: doorsturen naar alle poorten (behalve naar de poort waar het frame binnen kwam).

52 LAN: Switch Frames met broadcast bestemmingsadres en frames met bestemmingsadres niet in de MAC tabel, worden via alle poorten verder gestuurd. Probleem bij een lus in het netwerk: Moderne switches kunnen zelf lussen detecteren en afsluiten. A B C D E

53 Virtual LAN (VLAN) Soms is het wenselijk delen van het LAN van elkaar te scheiden Afdelingen Gasten / medewerkers Bedrijfskritische systemen etc. Second Floor Switch C Router Oplossing: Virtual LANs First Floor Switch B Wordt verzorgd door switches: houden verkeer van de verschillende VLANs strikt gescheiden Fysiek wel één LAN. Ground Floor HR VLAN Accounts VLAN Switch A Preamble Destination Address Source Address Tag Length/ Type Data Frame Check Sequence

54 Andere Typen LAN-technologie Token Ring (IEEE 802.5) token (bitpatroon) dat circuleert alleen toegang indien token in bezit garandeert maximale wachttijd duurder dan Ethernet Draadloze verbinding (WIFI) IEEE HomePlug LANs LAN verbinding via het elektriciteitsnet Asynchrone Transfer Mode (ATM) point-to-point netwerk (virtual circuit) eigenlijk WAN technologie gebruik voor multimedia vaste grootte van cellen (soort frames)

55 SAN: Storage Area Network Speciaal netwerk van opslagapparaten Meestal hoge bitrate Internet Small Computer System Interface (iscsi) SCSI opdrachten over TCP/IP-netwerk LAN IP TCP iscsi SCSI DATA Servers SAN Tape Libraries RAID Arrays

56 Grid Computing Gedistribueerd computing Computers in samenwerkingsverband Samen krachtige supercomputer Gekoppeld voor gemeenschappelijk doel, bijv. thuisgebruikers stellen capaciteit beschikbaar voor zoeken naar buitenaards leven Kankeronderzoek, seismische analyse, economische voorspellingen,

58 WAN: Wide Area Network WAN: Wide Area Network Verbinding over grotere afstanden (soms wereldwijd) Vaak voor verbinding van LANs Lange-afstandsverbindingen verzorgd door telecombedrijven: Leased Line, PSTN, ISDN, Frame Relay, ATM, DSL, Cable Television Cowley H5 (WAN) Cowley H4 (LAN) Long Distance Carrier Long Distance Carrier LAN Long Distance Carrier LAN LAN

59 Leased Lines Permanente, dedicated, point-to-point link. Verzorgd door telecombedrijf Voordelen: Altijd beschikbaar (permanente connectie) Weinig vertraging (geen andere gebruikers) Nadelen: Relatief duur wanneer niet intensief gebruikt Niet flexibel

60 Public Switched Telephone Network (PSTN) Openbare telefoonnetwerk Oorspronkelijk ontworpen voor spraak Voor digitaal signaal: omzetting via modem nodig Tegenwoordig enkel lokaal nog analoog (local loop) Modem Telephone line Modem

61 ISDN (Integrated Services Digital Network) Bij ISDN verbinding ook local loop digitaal. Biedt dus verschillende services (integrated services): niet alleen spraak. Basic Rate Interface (BRI) 2 x 64 kbps B-kanaal (data/spraak), 1 x 16 kbps D-kanaal (signalling) Primary Rate interface (PRI) Tot 30 B-kanalen (max. 2Mb/s) ISDN Exchange Trunk Exchange ISDN Exchange ISDN Router ISDN Telephone ISDN Router ISDN Telephone Ethernet Ethernet

62 X.25 Eerste openbare gegevensnetwerk (jaren 70 vorige eeuw) DCE: Data Circuit Terminating Equipment DTE: Data Terminal Equipment Packet switching over virtuele circuits (zowel switched als permanent) Toepassing voornamelijk wide area LANs (kantoren van bedrijven) Bedoeld voor verbindingen over analoge netwerken Veel foutencontrole: traag Modem Modem DTE DCE DCE DTE X.25 network cloud

63 Frame Relay Gebaseerd op X.25 technologie, maar digitale techniek Ook hier: data verzenden per frame (variabele grootte) Ook hier: virtuele circuits (zowel switched als permanent) Fouten worden op hogere lagen afgehandeld (dus niet link-by-link) Contracten op basis van bitrate en niet verbindingstijd Synchrone verbinding gebaseerd op HDLC (zie 6.3) FRAD PVC FRAD Frame Relay Cloud

64 ATM (Asynchronous Transfer Mode) Connection oriented: Virtual Circuits Data in cells met vaste grootte van 53 bytes Geschikt voor streaming van spraak/audio/video Ook bruikbaar in LAN Hogere bitrates dan Frame Relay Verschillende levels of service Constant bit rate Variable bit rate Unspecified bit rate Available bit rate

65 DSL / Kabel Customer Premises ADSL Modem Splitter Local Exchange Internet Digital Subscriber Line (DSL) breedbandsignaal via telefoonlijn (100Mb/s VDSL2) ADSL: upload en download snelheid verschillen VDSL/VDSL2: grotere brandbreedte (tot 35MHz) Computer Analogue Telephone DSLAM Analogue Telephone Network Kabel Data via kabeltv Ziggo: max 400 Mbps Cable Modem Cable Modem Coaxial Cable Cable Modem Coaxial Cable Coaxial Cable Fibre Optic Cable Cable Company Head- End

66 WAN Leased Line PSTN ISDN Frame Relay ATM DSL Cable Television

67 Remote toegang tot LAN Remote node Computer op afstand maakt deel uit van de LAN Dus op afstand werken alsof het een locale computer is Remote control Alleen de controle van de PC in de LAN (muiskliks, toetsenbord), schermveranderingen worden teruggestuurd. De remote computer doet de processing. Via WEB browser Werken via Internet en gebruik maken van webtechnologie Meestal via VPN (veiliger door encryptie, zie H8) Cloud computing gebruik wat je nodig hebt verlies van controle en betrouwbaarheid

69 Volgende week Cowley Hoofdstuk 6 : Protocollen Structuur van het Internet

70