Computerarchitectuur en netwerken. Lagenmodel Applicatieprotocollen

Computerarchitectuur en netwerken –8– Lagenmodel Applicatieprotocollen Lennart Herlaar

29 september 2015

Inhoud Berekeningen vertraging Lagenmodel Toepassingslaag: HTTP Email: SMTP POP/IMAP

DNS

Lennart Herlaar

Computerarchitectuur en netwerken – 8

1

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


2

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). 1.536 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


3

Berekeningsvoorbeeld 2 Packetswitching Stel we delen het bestand op in pakketten van 640 bits Transmission delay voor een pakket 640/1536000 = 0.0004167 sec = 0.4167 msec Neem even aan dat er geen processing en queueing delay is. Elk pakket doet er dan 0.4167 msec over om in een router binnen te komen. De router stuurt het direct daarna naar de volgende router Bĳ 10 routers 10 × 0.4167 = 4.167 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


4

Inhoud Berekeningen vertraging Lagenmodel ⇐= Toepassingslaag: HTTP Email: SMTP POP/IMAP

DNS

Lennart Herlaar


5

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


6

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


6

Lagen model in netwerken OSI = Open Systems Interconnection bedacht door het ISO (International Standards Organisation). We gebruiken een deel van dit model 5 4 3 2 1

applicatie transport netwerk datalink fysisch

  

subnet

applicatie  transport  netwerk datalink  fysisch

In het officiële model nog twee lagen Sommige lagen opgedeeld in sublagen Lennart Herlaar


7

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


8

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


9

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: protocol

laag n+1

laag n+1

PDU n+1 dienst

dienst protocol

laag n

laag n

PDU n

Lennart Herlaar


10

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


11

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


12

3. Netwerk Laag Het belangrĳkste probleem dat de netwerklaag moet oplossen is routering:

A B Hoe krĳg ik een boodschap van A naar B? De knopen in het netwerk moeten gegevens uitwisselen over de topologie van het netwerk Wat is de kortste/goedkoopste/snelste route? In het Internet wordt het IP protocol gebruikt (IP=Internet protocol)

Lennart Herlaar


13

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


14

5. Toepassingslaag Bevat alle toepassingen die van het netwerk gebruik maken E-mail Usenet WWW FTP EDI (Electronic Data Interchange) BitTorrent, . . . Skype, . . . Etc.

Het aantal toepassingen is onbeperkt Er worden voortdurend nieuwe protocollen uitgevonden

Lennart Herlaar


15

Relatie Applicatie-Transport Laag host of server

host of server

proces

Applicatie programmeur

proces socket

socket TCP met buffers, variabelen

Internet

TCP met buffers, variabelen

In het OS Lennart Herlaar


16

Inhoud Berekeningen vertraging Lagenmodel Toepassingslaag: HTTP Email:

⇐=

SMTP POP/IMAP

DNS

Lennart Herlaar


17

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 e-mail (webmail) remote files (WebDAV) chatten etc.

Basis is een GET commando van cliënt naar server Server stuurt bestand of antwoord terug

Lennart Herlaar


18

HTTP protocol HT TP req ues PC running HT t TP res Explorer pon se

t ues q e r nse Server TP o T p running H es Pr T Apache Web HT server

Mac running Navigator Lennart Herlaar


19

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


20

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-8859-1,*,utf-8 De body was leeg

Lennart Herlaar


20

Response De response bestaat uit een succes of fout code headers lege regel zo nodig body (document)

Lennart Herlaar


21

Response De response bestaat uit een succes of fout code headers lege regel zo nodig body (document) HTTP/1.1 200 OK Server: Apache... Connection: close Set-Cookie: session=xxxx; domain=.cs.uu.nl; Last-Modified: Wed, 16 Dec 2011 08:12:00 GMT MIME-version: 1.1 Content-Type: text/html Content-Length: 12345 Lennart Herlaar


21

Niet-Persistente verbindingen Oorspronkelĳk voor elk document (bĳvoorbeeld een plaatje) een aparte verbinding Tĳdsduur = RTT voor opzetten verbinding + RTT voor document

Lennart Herlaar


22

Niet-persistent

begin TCP connectie RTT verzoek bestand

Tijd om bestand te verzenden

RTT bestand ontvangen tijd Lennart Herlaar

tijd Computerarchitectuur en netwerken – 8

23

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


24

Persistent



RTT bestand ontvangen verzoek bestand


RTT

bestand ontvangen tijd Lennart Herlaar


25

Persistent met pipelining



RTT bestand ontvangen tijd Lennart Herlaar


26

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 2009 08:12:00 GMT Als er geen nieuwere versie is dan ‘continuatie code’ lege body wordt dan verzonden HTTP/1.1 304 Not modified

Lennart Herlaar


27

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


28

Web Cache 2 Stel 15 requests/sec, gemiddeld 100.000 bits/request = 1.5Mb/sec. Zonder cache: LAN heeft bezetting van 15%, link heeft 100%, dus oneindige wachtrĳ!!

Lennart Herlaar


29

Web Cache 2 Stel 15 requests/sec, gemiddeld 100.000 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


29

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


30

Inhoud Berekeningen vertraging Lagenmodel Toepassingslaag: HTTP Email:

⇐=

SMTP POP/IMAP

DNS

Lennart Herlaar


31

Email opzet MUA (Mail User Agent) E-mail 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


32

E-mail SMTP (Simple Mail Transport Protocol) voor het verzenden van e-mail (initiatief bĳ verzender = push protocol) POP3 (Post Office Protocol) en IMAP (Internet Message Access Protocol) voor het ophalen van e-mail (initiatief bĳ ontvanger = pull protocol)

Lennart Herlaar


33

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: <[email protected]> 250 Ok DATA 354 End data with . From: [email protected] To: <[email protected]> Subject: .... Message text.... . 250 Ok: queued as A8516454B QUIT 221 Bye Lennart Herlaar


34

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 email 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


35


⇐=

DNS

Lennart Herlaar


36

POP3/IMAP POP3 wordt gebruikt om e-mail van het Post Office naar je PC te halen Beheer van je e-mail gebeurt in principe op je eigen PC (opdelen in mailboxen etc.) Op Post Office alleen 1 mailbox voor het ontvangen van e-mail 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 email op verschillende PC’s gelezen moet worden

Lennart Herlaar


37

Web-based email Omdat je HTTP voor bĳna alles kunt gebruiken is het ook geschikt voor email (Hotmail, Gmail, etc.)

TP SM

MUA

Lennart Herlaar

Web server met webmail extensie

PO P3 /I MA P


SMTP server

Post Office server

38


DNS

Lennart Herlaar

⇐=


39

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: 131.211.80.17 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, www.cs.uu.nl, demon.co.uk, cl.cam.ac.uk

Er is geen ‘logische’ relatie met IP nummers

Lennart Herlaar


40

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


41

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


41

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


41

DNS voorbeeld nono.cs.uu.nl wil connectie maken met www.cam.ac.uk nono weet dat er een nameserver zit op 131.211.80.32 (ingesteld) nono vraagt aan 131.211.80.32 wat het IP adres van www.cam.ac.uk is 131.211.80.32 weet het niet!! Wat nu?

Lennart Herlaar


42

DNS voorbeeld nono.cs.uu.nl wil connectie maken met www.cam.ac.uk nono weet dat er een nameserver zit op 131.211.80.32 (ingesteld) nono vraagt aan 131.211.80.32 wat het IP adres van www.cam.ac.uk is 131.211.80.32 weet het niet!! Wat nu? 131.211.80.32 moet aan andere nameserver vragen of 131.211.80.32 moet proberen uit te vinden welke nameserver het wel weet

131.211.80.32 vraagt aan de root nameserver Root nameserver weet IP adressen van nameservers voor top-level domains (.com, .nl, .uk etc)

Lennart Herlaar


42

Scenario 1 www.cs.uu.nl

verzoekende host

Lennart Herlaar

locale nameserver


43

Scenario 1 www.cs.uu.nl

131.211.80.17

verzoekende host

Lennart Herlaar

locale nameserver


44

Scenario 2 Authoritive nameserver cam.ac.uk

Root nameserver

www.cam.ac.uk 1 1 11 0 00 0 1

verzoekende host Lennart Herlaar

locale nameserver Computerarchitectuur en netwerken – 8

45


Root nameserver

2 www.cam.ac.uk 1 1 11 0 00 0 1



46


Root nameserver 3

2 www.cam.ac.uk 1 1 11 0 00 0 1



47


Root nameserver 3 4

2 www.cam.ac.uk 1 1 11 0 00 0 1



48


Root nameserver 3 4

5 2 www.cam.ac.uk 1 1 11 0 00 0 1



49


Root nameserver 3 4

5 2 www.cam.ac.uk 1 1 11 0 00 0 1


6 131.111.8.46 locale nameserver Computerarchitectuur en netwerken – 8

50

Tussenliggende nameservers Vaak weet de root nameserver niet de uiteindelĳke (authoritive/verifiërende) nameserver

Lennart Herlaar


51

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


51

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


51

Iteratieve query Authoritive nameserver cam.ac.uk

Root nameserver

3a dr

es

na

me

ser

2

4

ve

5

r

www.cam.ac.uk 1 6 131.211.8.46 verzoekende host Lennart Herlaar


52

Iteratieve en recursieve query Authoritive nameserver cam.ac.uk

Tussenliggende nameserver .uk

Root nameserver

5

6 3a dr

es

na

me se

rv er

2

4

7

www.cam.ac.uk 1 8 131.211.8.46 verzoekende host

Lennart Herlaar

locale nameserver


53

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


54

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. www.cs.uu.nl ⇒ joan.dmz.cs.uu.nl) MX-records voor e-mail (SMTP): vertelt waar mail voor xxx@domain afgeleverd moet worden (bĳv. cs.uu.nl ⇒ smtp.cs.uu.nl)

Lennart Herlaar


54

Schaalbaarheid van services Sommige services worden zoveel gebruikt dat ze op meerdere servers moeten draaien. Bĳvoorbeeld www.google.com 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


55

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 Email Bĳ email 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


56

Computerarchitectuur en netwerken. Lagenmodel Applicatieprotocollen

Recommend Documents