Computerarchitectuur en netwerken. Inleiding NETWERKEN

Computerarchitectuur en netwerken –7– Inleiding NETWERKEN Lennart Herlaar

22 september 2015

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

1

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


2

Netwerk/Internet

Rest Internet Router

00000 11111 0 1 0 1 00000 11111 0 1 0 1 00000 11111 0 1 0 11111 00000 01 1 0 1 00000 11111 0 1 0 1 00000 11111 0 1 0 00000 11111 01 1 0 1 0 1 0 1 0 1 0 01 1 0 1 0 1 0 0000 1111 01 1 0 1 0000 1111 01 1 0 1 0000 1111 0 1 0 0000 1111 0 1 0 1 0000 1111 0 1 0 1 0000 1111 Lennart Herlaar

Locaal Netwerk


3

ADSL/Internet

Rest Internet

11 00 00 11

ADSL modem

ADSL modem

Lennart Herlaar

Internet Service Provider

Router


4

Thuis Netwerk/Internet

Rest Internet Router

11 00 00 11

ADSL modem

ADSL modem

Lennart Herlaar

Thuis Netwerk

Internet Service Provider

Router


5

Subnets Staff subnet

Rest Internet

Router

Rest UU netwerk

Router

Studenten subnet

Labs subnet

Lennart Herlaar


6

Host (eindsysteem)

Lennart Herlaar


7

Webserver

Lennart Herlaar


8

Inhoud Algemene principes Protocollen Connecties

⇐=

virtuele circuits multiplexing packet switching


Lennart Herlaar


9

Protocol

Lennart Herlaar


10

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


11

Verbindingen Connection-oriented (verbindingsgericht): 3 fasen 1 2 3

Maak verbinding Doe de communicatie Verbreek verbinding Vergelĳk: Telefoon

Lennart Herlaar


12

Verbindingen Connection-oriented (verbindingsgericht): 3 fasen 1 2 3

Maak verbinding Doe de communicatie Verbreek verbinding Vergelĳk: Telefoon

Connectionless (verbindingsloos): Boodschap wordt gestuurd zonder verbinding te maken Vergelĳk: Brief

Bĳ diensten (services) net zo.

Lennart Herlaar


12

Virtuele verbinding Het netwerk geeft de illusie dat er een verbinding is Hoe de data werkelĳk gaat is niet van belang

Lennart Herlaar


13

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


14


UDP (User Datagram Protocol) Geen betrouwbaarheid Berichten worden met ‘best effort’ afgeleverd Kunnen verloren gaan Volgorde niet gegarandeerd Verbindingsloos Vergelĳk brief/telegram

Lennart Herlaar


14


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


14

Inhoud Algemene principes Protocollen Connecties

⇐=

virtuele circuits multiplexing packet switching


Lennart Herlaar


15

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


16


Telefoonnetwerk (tot voor kort): geluid wordt gedigitaliseerd verbinding tussen telefoons is virtueel capaciteit in het netwerk gereserveerd (64000bits/sec)

Lennart Herlaar


16


Telefoonnetwerk (tot voor kort): geluid wordt gedigitaliseerd verbinding tussen telefoons is virtueel capaciteit in het netwerk gereserveerd (64000bits/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


16

Virtuele circuits

Lennart Herlaar


17

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


18

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 1 op 98.8 MHz, Radio M op 93.1 MHz

Lennart Herlaar


18


Time-Division Multiplexing (TDM): data afwisselend verzonden in hetzelfde frequentiebereik bĳvoorbeeld ISDN

Lennart Herlaar


18


Time-Division Multiplexing (TDM): data afwisselend verzonden in hetzelfde frequentiebereik bĳvoorbeeld ISDN

Soms beide toegepast GSM: verschillende zenders per zender 8 telefoongesprekken Lennart Herlaar


18

FDM Channel 1 1

Channel 2 Channel 2

Channel 1

Channel 3

1

60 Channel 3

64

68

72

Frequency (MHz)

1

0

4000

Frequency (kHz)

Lennart Herlaar

60

64

68

72

Frequency (MHz)


19

TDM

Lennart Herlaar


20

frequentie

GSM: FDM en TDM

tijd

Lennart Herlaar


21

Statistische multiplexing Bĳ statistische multiplexing kanalen naar behoefte toegewezen geen vaste volgorde geen vaste grootte

tijd

Lennart Herlaar


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


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


24

Packet switching

Lennart Herlaar


25

Inhoud Algemene principes Protocollen Connecties virtuele circuits multiplexing packet switching

Fysieke media

⇐=

Snelheidsberekeningen

Lennart Herlaar


26

Communicatiemedia 1 ‘Ether’ (elektromagnetische golven door vacuum) radio/TV frequenties microgolven infrarood/licht/laser snelheid ca. 300.000 km/sec

Gebruikt voor WiFi: meestal binnen gebouw (100 m) WiMAX: draadloos op grote afstand GSM/UMTS/4G Bluetooth: korte afstand (10-30 m) Geostationaire Satelliet: grote afstand (36000 km) staat stil t.o.v. aardoppervlak Laaghangende satellieten (enige 100km hoog) bewegen t.o.v. aardoppervlak: veel satellieten nodig

Lennart Herlaar


27

Communicatiemedia 2 Koperdraad: Gebruikt elektrische signalen snelheid ca. 200.000 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


28

Communicatiemedia 2 Koperdraad: Gebruikt elektrische signalen snelheid ca. 200.000 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


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


29

Communicatiemedia 3 glasvezel gebruikt licht/laser zeer ongevoelig voor storing tegenwoordig heel dunne glasdraden: licht kan niet ontsnappen single-mode fiber snelheid ca. 200.000 km/sec

Lennart Herlaar


30

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


31

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


32

Kabelinternet infrastructuur

Lennart Herlaar


33

Kabelinternet infrastructuur

Lennart Herlaar


34

Inhoud Algemene principes Protocollen Connecties virtuele circuits multiplexing packet switching


Lennart Herlaar

⇐=


35

Vertraging Het versturen van data kost tĳd: het zetten van bits op de lĳn de propagatie van de signalen de verwerkingstĳd queueing

1000 bits zetten op 1Mbps lĳn kost 1000/1000000 sec = 1msec. dit komt bĳ elke router terug (store and forward) bĳ heel grote pakketten kost dit veel tĳd Een bit over 4000 km versturen op een glasvezel kost 4000/200000 sec = 1/50 sec = 20 msec. Lichtsnelheid in glasvezel = 2 · 108 m/sec = 2 · 105 km/sec.

Lennart Herlaar


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=109 , M=106 , k=103 (niet 1024). 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 = 1000, R = 1Mbps: → T = L/R = 1msec. Let op bĳ omrekenen van bytes naar bits: 1 byte=8 bits

Lennart Herlaar


37

Propagation delay Het kost tĳd om een signaal over een afstand te verplaatsen In vacuum gaan elektromagnetische golven met lichtsnelheid: ca. 300.000 km/sec = 3 · 108 m/s. In glasvezel en in een elektrische draad gaan signalen met een snelheid van ca. 200.000 km/sec = 2 · 108 m/s. Om afstand d af te leggen met snelheid s kost d/s tĳd: voorbeeld d = 4000 km, s = 200000 km/s → T = d/s = 20msec. Als je bits op een draad zet met 10Mbps, dan zit er 0.1 · 10−6 sec tussen twee bits. Intussen heeft de eerste bit al 0.1 · 10−6 · 2 · 108 = 20 meter afgelegd. In dit voorbeeld is een bit ‘20 meter lang’. In deze situatie passen er 5 bits op een draad van 100 m. Lennart Herlaar


38

Queueing delay 1 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 0: 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) = 1Mbps, aankomende pakketten 1000 bits (L), er komen 750 pakketten/sec. (a) bezettingsgraad = La/R = 750000/1000000 = 0.75 (75%) Lennart Herlaar


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 /(1 − ρ). Als ρ klein, dan is dit iets meer dan T Bĳ bezetting van 75%: ρ = 0.75: tĳd = 4T Bĳ bezetting van 80%: ρ = 0.8: tĳd = 5T Bĳ bezetting van 99%: ρ = 0.99: tĳd = 100T

Lennart Herlaar


40

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 /(1 − ρ). Als ρ klein, dan is dit iets meer dan T Bĳ bezetting van 75%: ρ = 0.75: tĳd = 4T Bĳ bezetting van 80%: ρ = 0.8: tĳd = 5T Bĳ bezetting van 99%: ρ = 0.99: tĳd = 100T

Lennart Herlaar


40

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


41

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


42

Computerarchitectuur en netwerken. Inleiding NETWERKEN

Recommend Documents