Computerarchitectuur en netwerken 7 Inleiding NETWERKEN Lennart Herlaar 22 september 25
Inhoud Hoe gaat de informatie door het netwerk heen? Algemene principes Protocollen Connecties virtuele circuits multiplexing packet switching Fysieke media Snelheidsberekeningen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7
Computernetwerken Computer Netwerk = Verzameling computers, die onderling verbonden zijn met behulp van communicatiemedia, die informatie kunnen uitwisselen om gezamenlijke taken uit te voeren. Computers: ruim opvatten PC s Servers Printers GSM s Koffiezetapparaat met Internet aansluiting Betere naam: host of eindsysteem Internet = Netwerk van computernetwerken Routers verbinden netwerken met elkaar Netwerk kan weer verdeeld zijn in subnetten subnetten ook met elkaar verbonden door router(s) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 2
Netwerk/Internet Locaal Netwerk Rest Internet Router Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 3
ADSL/Internet Rest Internet ADSL modem ADSL modem Internet Service Provider Router Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 4
Thuis Netwerk/Internet Router ADSL modem ADSL modem Internet Service Provider Router Rest Internet Thuis Netwerk Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 5
Subnets Staff subnet Rest Internet Studenten subnet Router Rest UU netwerk Router Labs subnet Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 6
Host (eindsysteem) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 7
Webserver Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 8
Inhoud Algemene principes Protocollen = Connecties virtuele circuits multiplexing packet switching Fysieke media Snelheidsberekeningen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 9
Protocol Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7
Protocol Een protocol is een set regels en afspraken over hoe informatie tussen communicerende partners moet worden uitgewisseld De vorm en de inhoud van de boodschappen De betekenis van de boodschappen De volgorde waarin de boodschappen worden verzonden Wat er moet gebeuren bij een fout Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7
Verbindingen Connection-oriented (verbindingsgericht): 3 fasen Maak verbinding 2 Doe de communicatie 3 Verbreek verbinding Vergelijk: Telefoon Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 2
Verbindingen Connection-oriented (verbindingsgericht): 3 fasen Maak verbinding 2 Doe de communicatie 3 Verbreek verbinding Vergelijk: Telefoon Connectionless (verbindingsloos): Boodschap wordt gestuurd zonder verbinding te maken Vergelijk: Brief Bij diensten (services) net zo. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 2
Virtuele verbinding Het netwerk geeft de illusie dat er een verbinding is Hoe de data werkelijk gaat is niet van belang Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 3
Transport Protocollen TCP (Transmission/Transport Control Protocol) Betrouwbaar protocol Garandeert aflevering in dezelfde volgorde als verzending Fouten van de netwerklaag worden gecorrigeerd Verbindingsgericht: eerst verbinding opzetten, dan communiceren, tot slot verbinding verbreken Vergelijk met telefoon Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 4
Transport Protocollen TCP (Transmission/Transport Control Protocol) Betrouwbaar protocol Garandeert aflevering in dezelfde volgorde als verzending Fouten van de netwerklaag worden gecorrigeerd Verbindingsgericht: eerst verbinding opzetten, dan communiceren, tot slot verbinding verbreken Vergelijk met telefoon UDP (User Datagram Protocol) Geen betrouwbaarheid Berichten worden met best effort afgeleverd Kunnen verloren gaan Volgorde niet gegarandeerd Verbindingsloos Vergelijk brief/telegram Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 4
Transport Protocollen TCP (Transmission/Transport Control Protocol) Betrouwbaar protocol Garandeert aflevering in dezelfde volgorde als verzending Fouten van de netwerklaag worden gecorrigeerd Verbindingsgericht: eerst verbinding opzetten, dan communiceren, tot slot verbinding verbreken Vergelijk met telefoon UDP (User Datagram Protocol) Geen betrouwbaarheid Berichten worden met best effort afgeleverd Kunnen verloren gaan Volgorde niet gegarandeerd Verbindingsloos Vergelijk brief/telegram IP (Internet Protocol) wordt gebruikt om de TCP en UDP data door het Internet te routeren Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 4
Inhoud Algemene principes Protocollen Connecties = virtuele circuits multiplexing packet switching Fysieke media Snelheidsberekeningen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 5
Communicatie in het netwerk Hoe wordt data door het netwerk heen gestuurd? Oorspronkelijk telefoonnetwerk d.m.v schakelaars verbinding tussen twee telefoons elektrisch signaal rechtstreeks doorgegeven galvanische verbinding Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 6
Communicatie in het netwerk Hoe wordt data door het netwerk heen gestuurd? Oorspronkelijk telefoonnetwerk d.m.v schakelaars verbinding tussen twee telefoons elektrisch signaal rechtstreeks doorgegeven galvanische verbinding Telefoonnetwerk (tot voor kort): geluid wordt gedigitaliseerd verbinding tussen telefoons is virtueel capaciteit in het netwerk gereserveerd (64bits/sec) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 6
Communicatie in het netwerk Hoe wordt data door het netwerk heen gestuurd? Oorspronkelijk telefoonnetwerk d.m.v schakelaars verbinding tussen twee telefoons elektrisch signaal rechtstreeks doorgegeven galvanische verbinding Telefoonnetwerk (tot voor kort): geluid wordt gedigitaliseerd verbinding tussen telefoons is virtueel capaciteit in het netwerk gereserveerd (64bits/sec) Virtuele circuits in datanetwerken: virtuele verbinding wordt opgezet route voor data wordt in netwerk vastgelegd capaciteit wordt gereserveerd ook als er geen data gestuurd wordt werd gebruikt in KPN datanetwerk (bijv voor bank/pin) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 6
Virtuele circuits Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 7
Multiplexen Het tegelijk versturen van verschillende kanalen door een medium heet multiplexen op kabel-tv of ether: verschillende radio- en TV zenders bij ISDN: twee telefoongesprekken tegelijk bij ADSL: telefoon en Internet over dezelfde lijn Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 8
Multiplexen Het tegelijk versturen van verschillende kanalen door een medium heet multiplexen op kabel-tv of ether: verschillende radio- en TV zenders bij ISDN: twee telefoongesprekken tegelijk bij ADSL: telefoon en Internet over dezelfde lijn Frequency-Division Multiplexing (FDM): data gelijktijdig verzonden gescheiden frequentiebanden Radio op 98.8 MHz, Radio M op 93. MHz Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 8
Multiplexen Het tegelijk versturen van verschillende kanalen door een medium heet multiplexen op kabel-tv of ether: verschillende radio- en TV zenders bij ISDN: twee telefoongesprekken tegelijk bij ADSL: telefoon en Internet over dezelfde lijn Frequency-Division Multiplexing (FDM): data gelijktijdig verzonden gescheiden frequentiebanden Radio op 98.8 MHz, Radio M op 93. MHz Time-Division Multiplexing (TDM): data afwisselend verzonden in hetzelfde frequentiebereik bijvoorbeeld ISDN Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 8
Multiplexen Het tegelijk versturen van verschillende kanalen door een medium heet multiplexen op kabel-tv of ether: verschillende radio- en TV zenders bij ISDN: twee telefoongesprekken tegelijk bij ADSL: telefoon en Internet over dezelfde lijn Frequency-Division Multiplexing (FDM): data gelijktijdig verzonden gescheiden frequentiebanden Radio op 98.8 MHz, Radio M op 93. MHz Time-Division Multiplexing (TDM): data afwisselend verzonden in hetzelfde frequentiebereik bijvoorbeeld ISDN Soms beide toegepast GSM: verschillende zenders per zender 8 telefoongesprekken Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 8
FDM Channel Channel 2 Channel Channel 2 Channel 3 6 64 68 72 Channel 3 Frequency (MHz) 4 6 64 68 72 Frequency (khz) Frequency (MHz) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 9
TDM Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 2
GSM: FDM en TDM frequentie tijd Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 2
Statistische multiplexing Bij statistische multiplexing kanalen naar behoefte toegewezen geen vaste volgorde geen vaste grootte tijd Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 22
Circuit switching/multiplexing Voordelen Gemeenschappelijk gebruik medium Gegarandeerde bandbreedte Vertraging boodschappen is vast (niet bij statistische) Vooral geschikt voor telefoon, multimedia Nadelen Bij wisselend gebruik verspilling van capaciteit (niet bij statistische multiplexing) Moeilijk om extra (virtuele) kanalen toe te voegen Inefficiënt voor interactief werk browsen, downloaden,... Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 23
Packet switching Deel de data op in kleine pakketjes Stuur de pakketjes onafhankelijk door het netwerk Netwerk bestaat uit knopen (routers) verbonden met lijnen Store-and-forward: pakketje wordt pas doorgestuurd als het in zijn geheel binnen is Op de lijnen statistische multiplexing In de router wachtrij (Queue) Als de router vol zit: pakketje weggooien Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 24
Packet switching Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 25
Inhoud Algemene principes Protocollen Connecties virtuele circuits multiplexing packet switching Fysieke media = Snelheidsberekeningen Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 26
Communicatiemedia Ether (elektromagnetische golven door vacuum) radio/tv frequenties microgolven infrarood/licht/laser snelheid ca. 3. km/sec Gebruikt voor WiFi: meestal binnen gebouw ( m) WiMAX: draadloos op grote afstand GSM/UMTS/4G Bluetooth: korte afstand (-3 m) Geostationaire Satelliet: grote afstand (36 km) staat stil t.o.v. aardoppervlak Laaghangende satellieten (enige km hoog) bewegen t.o.v. aardoppervlak: veel satellieten nodig Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 27
Communicatiemedia 2 Koperdraad: Gebruikt elektrische signalen snelheid ca. 2. km/sec UTP (Unshielded Twisted Pair): draadjes om elkaar gedraaid draaing vermindert storing van/naar naastgelegen draden Cat 3 voor langzame, Cat 5(E) of Cat 6 voor snelle netwerken (meer twists) STP (Shielded Twisted Pair): afscherming eromheen afscherming vermindert storing omgeving Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 28
Communicatiemedia 2 Koperdraad: Gebruikt elektrische signalen snelheid ca. 2. km/sec UTP (Unshielded Twisted Pair): draadjes om elkaar gedraaid draaing vermindert storing van/naar naastgelegen draden Cat 3 voor langzame, Cat 5(E) of Cat 6 voor snelle netwerken (meer twists) STP (Shielded Twisted Pair): afscherming eromheen afscherming vermindert storing omgeving Coax kabel Zoals in TV kabel Broadband: gebruikt meerdere kanalen (FDM): modulatie nodig Baseband: geen modulatie: bits direct op medium gezet Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 28
Modulatie Moduleren = digitaal signaal omzetten in een analoog signaal geschikt voor het medium Demoduleren = omgekeerd Meestal door een hoogfrequent signaal te veranderen Modem = apparaat dat moduleert en demoduleert Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 29
Communicatiemedia 3 glasvezel gebruikt licht/laser zeer ongevoelig voor storing tegenwoordig heel dunne glasdraden: licht kan niet ontsnappen single-mode fiber snelheid ca. 2. km/sec Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 3
ADSL ADSL gebruikt FDM op de telefoonlijn: banden voor telefoonverkeer: (POTS=Plain Old telephone System PSTN=Public Switched Telephone Network) aparte banden voor up- en downstream Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 3
Kabelmodems Kabelinternet: gebruikt TV-kabelstructuur Signalen worden per glasvezel in de wijk gebracht In headend (kopstation) verdeeld en opgevangen Via coax-kabel naar de huizen Gebruikt FDM samen met TV/radio Aparte kanalen voor data heen en voor terug Binnen deze kanalen statistische multiplexing Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 32
Kabelinternet infrastructuur Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 33
Kabelinternet infrastructuur Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 34
Inhoud Algemene principes Protocollen Connecties virtuele circuits multiplexing packet switching Fysieke media Snelheidsberekeningen = Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 35
Vertraging Het versturen van data kost tijd: het zetten van bits op de lijn de propagatie van de signalen de verwerkingstijd queueing bits zetten op Mbps lijn kost / sec = msec. dit komt bij elke router terug (store and forward) bij heel grote pakketten kost dit veel tijd Een bit over 4 km versturen op een glasvezel kost 4/2 sec = /5 sec = 2 msec. Lichtsnelheid in glasvezel = 2 8 m/sec = 2 5 km/sec. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 36
Transmission delay Transmission delay = tijd die nodig is om alle bits van een pakket uit te sturen (Overdrachts)snelheid wordt uitgedrukt in bits per seconde (bps of b/s) Meestal Mbps (ook Gbps of kbps) In dit geval G= 9, M= 6, k= 3 (niet 24). Als L het aantal bits in het pakket is, en R de overdrachtssnelheid in bps, dan is de transmissietijd L/R per pakket. Voorbeeld: L =, R = Mbps: T = L/R = msec. Let op bij omrekenen van bytes naar bits: byte=8 bits Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 37
Propagation delay Het kost tijd om een signaal over een afstand te verplaatsen In vacuum gaan elektromagnetische golven met lichtsnelheid: ca. 3. km/sec = 3 8 m/s. In glasvezel en in een elektrische draad gaan signalen met een snelheid van ca. 2. km/sec = 2 8 m/s. Om afstand d af te leggen met snelheid s kost d/s tijd: voorbeeld d = 4 km, s = 2 km/s T = d/s = 2msec. Als je bits op een draad zet met Mbps, dan zit er. 6 sec tussen twee bits. Intussen heeft de eerste bit al. 6 2 8 = 2 meter afgelegd. In dit voorbeeld is een bit 2 meter lang. In deze situatie passen er 5 bits op een draad van m. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 38
Queueing delay Als er meerdere pakketten over dezelfde lijn moeten (statistische multiplexing) dan moeten ze soms wachten omdat de lijn bezet is Wachten in de wachtrij (queue) kost tijd Hoe drukker het is, hoe langer de wachtrijen kunnen worden Bij zeer lage belasting: wachttijd bijna : extra vertraging = transmission delay Queue lengte hangt af van de capaciteit van de uitgaande lijn en het verkeersaanbod bezettingsgraad = hoeveelheid verkeer lijncapaciteit Voorbeeld: lijncapaciteit (R) = Mbps, aankomende pakketten bits (L), er komen 75 pakketten/sec. (a) bezettingsgraad = La/R = 75/ =.75 (75%) Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 39
Queueing delay 2 Queuing theorie: Onder bepaalde statistische omstandigheden bij een bezettingsgraad van ρ en transmissietijd van T, is de gemiddelde verwerkingstijd (queueing delay + transmission delay) = T /( ρ). Als ρ klein, dan is dit iets meer dan T Bij bezetting van 75%: ρ =.75: tijd = 4T Bij bezetting van 8%: ρ =.8: tijd = 5T Bij bezetting van 99%: ρ =.99: tijd = T Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 4
Queueing delay 2 Queuing theorie: Onder bepaalde statistische omstandigheden bij een bezettingsgraad van ρ en transmissietijd van T, is de gemiddelde verwerkingstijd (queueing delay + transmission delay) = T /( ρ). Als ρ klein, dan is dit iets meer dan T Bij bezetting van 75%: ρ =.75: tijd = 4T Bij bezetting van 8%: ρ =.8: tijd = 5T Bij bezetting van 99%: ρ =.99: tijd = T Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 4
Delay bij packet switching Bij packet switching: Propagation delay op elke link tussen routers Transmission delay + queueing delay in elke router Evt. nog processing delay (verwerkingstijd in de router) Bij grote pakketten veel transmission delay daardoor kleine pakketten sneller Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 4
Samenvatting Netwerk bestaat uit hosts, verbonden met o.a. routers. Een protocol is een verzameling regels over hoe boodschappen heen en weer gestuurd worden. Verbindingsgericht versus verbindingsloos. Data kan gestuurd worden via virtuele circuits of packet switching In beide gevallen gebruiken we multiplexing. We hebben diverse soorten fysieke media. Vertragingen: transmissie, propagatie, queueing en processing. Lennart Herlaar Computerarchitectuur en netwerken 7 42