Hálózati architektúrák és rendszerek. Csomagkapcsolt hálózatok IP-kommunikáció ősz

Hálózati architektúrák és rendszerek Csomagkapcsolt hálózatok IP-kommunikáció 2008. ősz

1

Adminisztráció † Előadók: „ Farkas Károly egy. docens † [email protected] „ Dallos György egy. docens † [email protected], IL116, tel. 2095 „ Szabó Csaba Attila egy. tanár † tárgyfelelős † [email protected], IL115, tel. 2049

† Időpontok, helyszín: „ Szerda 16:15, IE218; Csütörtök 10:15, IB110

† Tananyag: előadások „ http://oziris.nyme.hu/~farkas/NA_BME/index.html 2

A tárgy felépítése (1) † †

† †

† †

Lokális hálózatok. Az IEEE architektúra. Ethernet Csomagkapcsolt hálózatok „ „ „

IP-komm. Az Internet Végpontok közötti kapcsolat, transzport-prot., TCP, UDP A TCP/IP protokoll-család. Alkalmazási példa: VoIP

„

PSTN, ISDN, 2. generációs cellás mobil-rendszerek

„ „ „

SDH – Synchronous Digital Hierarchy ATM – Asynchronous Transfer Mode MPLS – Multi-Protocol Label Switching

„ „

Alapok Wavelength routing és csomagkapcsolás

Áramkörkapcsolt hálózatok

Kapcsolat-orientált hálózatok

3. generációs mobil rendszerek Optikai kommunikáció

3

A tárgy felépítése (2) †

†

† † †

Hozzáférési hálózatok: „ „ „

xDSL FTTx, xPON CATV

„ „ „ „

Áttekintés PAN, Bluetooth WiFi WiMAX

„ „

A távközlési megközelítés NGN a mobil világban: 4G vagy B3G (Beyond-3G)

Szélesávú vezetéknélküli hozzáférés (BWA – Broadband Wireless Access)

Újgenerációs hálózatok (NGN – Next Generation Networks) Tervezési kérdések Összefoglalás, tartalék

4

A kommunikációs hálózatok fő típusai (az adattovábbítás módja szerint)

5

Tartalom † Az Internet és a TCP/IP protocol stack † Az IP, az IP protokoll-család † Transzport protokollok: UDP and TCP † Next generation IP: az IPv6 † Alkalmazási példa: VoIP

6

Az Internet-architektúra Alapelvek és klasszikus definíciók † „Internetwork”

„ Összekapcsolt hálózatok, az Internet

† Hálózat

„ Fizikai hálózat, csomópontokból (node-okból) és összekö(tte)tésekből (link-ekből) áll „ Bármely kommunikációs rendszer, amely képes csomagok küldésére (Ethernet, egy pont-pont összeköttetés, bármely WAN – wide area network – nagyterületű hálózat)

† Gateway-ek (átjárók) vagy router-ek (útvonalválasztók) „ Összekapcsolják a fizikai hálózatokat „ A csomagokat a célállomás felé irányítják † Host-ok

„ Bármely gép, amelyen az alkalmazás található 7

Hálózatok és gateway-ek Net 1

G

Net 2

Két hálózat, a G, gateway-jel (routerrel) összekapcsolva G csomagokat továbbít N1-ből N2-be és N2-ből N1-be

Net 1

G1

Net 2

G2

Net 3

Három hálózat, két gateway-jel összekötve G1 továbbítja az N1-ből származó és N2-be vagy N3-ba irányuló csomagokat 8

Az Internet protokoll-architektúra „Internet-protokoll(ok)”

† TCP/IP

„ A transzport (szállítási) és network (hálózati) rétegbeli protokollok „ TCP - Transmission Control Protocol „ IP – Internetwork Protocol

† Csak az IP protokoll † Az IP vagy TCP/IP „protokoll stack” „ Az összes hálózati és transzport és magasabb rétegbeli protokoll

† „Szabványosítva” az RFC-kben (IETF) 9

Az Internet „szabványosítása”, IETF, RFC-k †

IETF: „ „ „ „

†

nyílt, nemzetközi szervezet tagjai:hálózattervezők, üzemeltetők, szolgáltatók, berendezésszállítók, kutatók Munka mailing list-eken keresztül Working groups

RFC-k „ „ „ „ „

„Request for comments” Hagyományból: text-formátum, az ábrák is Status: INFORMATIONAL, DRAFT STANDARD, PROPOSED STANDARD, STANDARD,… Pl.: RFC 3550: RTP – A Transmission Protocol for Real-Time Applications, July 2003 – STANDARD (RFC 1889: RTP…,– PROPOSED STANDARD) RFC 3251: Electricity over IP, April 1, 2002.

10

A TCP/IP protokoll architektúra:

összehasonlítás az OSI 7-rétegű modellel OSI-rétegek

TCP/IP arch.

Application Presentation

Process / Application Layer

Session Transport

Host-to-Host Layer

Network

Internet Layer

Data Link

Network Interface

Physical

Layer

Példa: FTP Példa: TCP IP (továbbá…) A TCP/IP nem foglalkozik ezekkel

11

TCP/IP protokollok az Internet-csomópontokban

end-systems vs nodes: különböző protokoll-készletet alkalmaznak

Host A

Host Z

Process/Application Layer Host-to-Host Layer Internet Layer Network Interface Layer

Process/Application Layer

Router B Router Y Internet Layer

Internet Layer

NI NI

NI NI

A B

A B

Host-to-Host Layer Internet Layer Network Interface Layer

12

A teljes TCP/IP protokoll-család SNMP

BOOTP FTP ASN 1 DHCP SMTP TELNET DNS TCP UDP IP (+ICMP and IGMP) ARP RARP Network interface • • •

Hagyományos egydimenziós architektúra-ábrázolás Különböző protokollok különböző funkcionális csoportokhoz tartoznak Ezt célszerű több dimenzióban ábrázolni 13

A távközlésben alkalmazott architektúrális modell és az IP-protokollok User Plane Control Plane Management Plane

Az információ-tartalom továbbítása Híváskezelés (call processing) Menedzsment (O&M Operation and management)

Example: the IP protocol family

User

Control

Management

IP

ARP RARP ICMP IGMP

RIP, OSPF, BGP

14

A különböző rétegek adategységei, a beágyazás (encapsulation) elve „Black-box” elv: data link layer PDU –FRAME network layer PDU –PACKET higher layer protocol data unit

15

Beágyazás és protokoll-adategységek a TCP/IP-ben Local Network Header

IP Header

UDP/TCP Header

Application Data

Local Network Trailer

UDP Datagram or TCP Segment IP Datagram Data Link Local Network Frame

A példában a fizikai hálózat LAN 16

Tartalom † † † † †

Az Internet és a TCP/IP protocol stack Az IP, az IP protokoll-család Transzport protokollok: UDP and TCP Next generation IP: az IPv6 Alkalmazási példa: VoIP

17

Az IP protokoll: összefoglalás Az IP funkciói Az IP és társ-protokolljai Az IP címzési struktúra IP datagram továbbítás Az IP routing-ról (útvonalválasztás) Hiba- és vezérlőüzenetek az IP-ben – az ICMP protokoll † IP Multicast (IP-többesadás) † † † † † †

18

Az IP funkciói † † †

†

†

Csomagkapcsolt, datagram-típusú (Összeköttetésmentes/connectionless) adattovábbítás „Best effort”, nincs hibajavítás A protokoll két fő eszköze: „ Címzés „ Fragmentáció Három címzési/csomagtovábbítási lehetőség: „ unicast (egyesadás) „ multicast (többesadás) „ broadcast (adatszórás) Fragmentáció: szükséges, mivel „ a LAN-ok keretformátumai különbözőek és lehetnek nagyobbak az IP csomagméretnél 19

Az IP-”család” IP + „társprotokollok” Mindez a hálózati rétegen belül, „alrétegek” IGMP

ICMP

Internet Control Message Protocol

IP ARP

Address Resolution Protocol

RARP

Internet Group Mngment Protocol

Reverse ARP 20

Az IP-protokoll címzési sémája (1) Class A

01234

0

8

16

netid

24

31

hostid

Class B

1 0

Class C

1 10

netid

Class D

1 1 10

multicast address

Class E

1 11 10

reserved for future use

netid

hostid hostid

21

Az IP-protokoll címzési sémája (2) † Előnyök „ Az A, B, C osztályok az első 2 bit alapján megkülönböztethetők „ A hálózati és végpont-címek könnyen szeparálhatók

† Jelölés „ Oktettek → decimális számok, ponttal elválasztva („dotted decimal” notation)

† Példa: a „C”-osztályú címtartomány eleje és vége: 110 00000⎜0…0⎜0…0⎜0…0⎜→ 192.0.0.0 11011111⎜1…1⎜1…1⎜1…1⎜→ 223.255.255.255

22

Speciális esetek † Multicast címzés: később † Töbszörös címek „multi-homed” (több hálózatra csatlakozó) csomópontok számára „ következmény: az IP cím nem határoza meg egyértelműen a csomópontot, hanem annak egy hálózathoz tartozását † Hálózatnak is lehet címe: hostid = 0 † Broadcast-cím: hostid = csupa 1 † Limited broadcast (a hálózaton belül): csupa 1 † Ez a host: csupa 0 † Host ezen a hálózaton: netid = 0, hostid † Loopback cím: 127. bármi 23

Az IP-címzés következményei 1. 2. 3.

Ha a host másik hálózatra megy át, az IP címe meg kell, hogy változzon Az IP-címek alapján történő útvonalválasztás során a többszörös IP című hostokhoz vezető út függ attól, melyik IP-címet használjuk Többszörös IP című hostoknál csak egy IP-cím ismerete nem biztos, hogy elég az eléréséhez

Net1

A1 GW A2

A3

A4

Host A

Host B A5

Net2 Host A → Host B: A4 közvetlenül, A5 a GW-n át Ha Host B lekapcsol Net1-ről; A4 ismerete nem elég! 24

Az IP-datagram formátuma 0

4

VERS

8

HLEN

16

TYPE OF SERV

IDENTIFICATION TIME TO LIVE

19

24

31

TOTAL LENGTH FLAGS FRAGMENT OFFSET

PROTOCOL

HEADER CHECKSUM

SOURCE IP ADDRESS DESTINATION IP ADDRESS IP OPTIONS (IF ANY)

PADDING

DATA … 25

Datagram-formátum: részletek (1) VERS – a jelenlegi verzió, =4 HLEN – fejrész-hossz, 32 bites szavakban, min HLEN=5 (20 oktett) Type of service – kért QoS erre a datagramra Bits 0-2 Precedence Példák: „network ctrl” „priority” „routine” Bit 3 Késleltetés (normal/low) Bit 4 Throughput (normal/light) Bit 5 Reliability (normal/high) Bit 6-7 Reserved 26

Datagram-formátum: részletek (2) † Total Length – a datagram hossza oktett-ben max. hossz: 216 → 65.535 oktett előírt min. hossz: 576 oktett † Identifier † Flags - fragmentációhoz † Fragment offset † Time to live – a hálózatban tartózkodás maximális időtartama, mp-ben vagy ugrásokban mérve, max. 255 † Protocol – melyik magasabb rétegbeli PDU ül ebben a datagramban, pl.: 6 = TCP, 17 = UDP † Header checksum

27

Az IP routing-ról † ALAPOK „ Routing-táblák a csomópontokban „ Csak a cím „netid”-részét használjuk „ „Next stop” módszer † MI VAN A TÁBLÁKBAN? „ Célcím – a router címe, ameyhez továbbítani kell „ Subnet mask

† HOGYAN SZERZIK MEG A ROUTEREK A ROUTINGINFORMÁCIÓT? „ Vector – distance algoritmus „ Link – state algoritmus 28

Hiba- és vezérlőüzenetek az IP protokollban – az ICMP † ICMP: hibajelző mechanizmus A gw informálja a kiindulási host-ot (miért nem a közbenső gw-ket?) † ICMP: eszköz „ az elérhetőség tesztelésére

ECHO RQ, ECHO RPLY („ping”) „ A nem elérhető célpontok jelzése „ congestion/flow control („source quench”) „ Segítség az útvonalválasztáshoz Útvonalváltozás-kérés Körkörös vagy nagyon hosszú utak detektálása

„ Órajel-szinkronizálás 29

IP Multicast (1) † Multicast: IP-csomagok küldése egy forrástól többszörös címzettnek † Példa: „C” küld az {A,E,F} multicast-csoportnak A C

B R1

D E

F

R2 G

† Előny: átviteli kapacitások megtakarítása az unicast-hoz képest † Fontos alkalmazásokhoz szükséges: VoIP konferenciahívások, media streaming 30

IP Multicast (2) † †

† †

Az IGMP-t (Internet Group Message Protocol) alkalmazásával „D” osztályú címzés „ 1110 | 28 bites csoport-azonosító „ A 224.0.0.0-től 239.255.255.255-ig tartó címtartomány fenntartva; „ 224.0.0.1: „all hosts”. Még ha nincs is az IGMP implementálva, a host-oknak képeseknek kell lenniük csatlakozni ehhez a csoporthoz A routerek módosított routing-protokollokal működnek A multicast IP-címek leképezése fizikai címekre: implementálva „ 802.3 (Ethernet)-re „ minden broadcast-képességű fizikai hálózatra 31

Tartalom † Az Internet és a TCP/IP protocol stack † Az IP, az IP protokoll-család † Transzport protokollok: UDP and TCP † Next generation IP: az IPv6 † Alkalmazási példa: VoIP 32

„Host layer” protokollok: UDP és TCP † UDP – User Datagram Protocol † TCP – Transmission Control Protocol † Az UDP és TCP közös képességei: „ Portok kezelése „ Multiplexálási képesség

† Alapvető különbség az UDP és a TCP között: o Az UDP kapcsolatmentes (connectionless) szállításiszolgáltatást nyújt o A TCP összeköttetés-alapú (connection – oriented)

33

UDP –User Datagram Protocol (1) † Portok kezelése: Az IP-rétegben a csomagok host-nak vannak címezve A host-okon belül: több alkalmazás, folyamat megkülönböztetésük: port-ok használatával Foglalt (reserved) és rendelkezésre álló (available) portszámok „ Foglalt portok: ide mindig lehet küldeni datagram-okat pl. 69: TFTP „ Az UDP-en belül megállapításra kerülnek az alkalmazandó port-számok „ „ „ „

† Multiplexelés/demultiplexelés „ A port-mechanizmus segítségével

34

UDP – User Datagram Protocol (2) Multiplexelés és demultiplexelés Példa: A1

A2

A3

Port 1

Port 2

Port 3

UDP

Alkalmazások

Demultiplexelés a portok alapján Beérkező UDP datagram

IP layer 35

UDP – User Datagram Protocol (3) bits: 0

15 16

31

UDP Source Port

UDP Destination Port

UDP Message Length

UDP Checksum Data

Source port opcionális (nem használt: 0) Hossz: oktettben. min: 8 Checksum: opcionális (nincs: 0) Az UDP checksum az egyetlen lehetőség annak ellenőrzésére, hogy a datagram helyesen érkezett-e meg (a IP-csomag ellenőrzése csak a fejrészt fogja át) 36

UDP – User Datagram Protocol

Összefoglalás: funkcionalitás és a költsége † Port-kezelés, ezáltal a különböző alkalmazások/folyamatok megkülönböztetése † Több alkalmazás egyidejű kezelése porthozzárendeléssel és multiplexeléssel/demultiplexeléssel † Hibajelzés az UDP datagram tartalmára és az IP csomag további részeire † A fentiek ára: 8 oktett-nyi overhead 37

TCP –Transmission Control Protocol Fő jellemzői

† Célkitűzés: megbízható transzport-szolgáltatás nyújtása az IP nem megbízható datagram szolgáltatásán † Jellemzői: „ Stream–típusú szállítás: bit-oktett-stream-ek sorrendhelyes átvitele „ Virtuális csatornák: összeköttetés épül fel és marad fenn a kommunikáció tartamára „ Pufferelt átvitel: a stream-ből a datagram „megtöltéséhez” szükséges mennyiséget várja össze „ Strukturálatlan stream: nincsenek határolók a stream-en belül „ Full–duplex kapcsolatok: két független stream „ Piggybacking: vezérlő információk küldése az ellenkező irányban folyó stream-be ágyazva 38

TCP PDU (=„segment”) struktúra 0

4

10

16

19

24

31

SOURCE PORT DESTINATION PORT SEQUENCE NUMBER ACKNOWLEDGEMENT NUMBER HLEN RESERVED CODE BITS WINDOW CHECKSUM URGENT POINTER OPTIONS (IF ANY) PADDING DATA … •Sequence no: a szegmens-ben levő adat pozíciója a küldő byte stream-jében •Ack no: annak az oktettnek a sorszáma, amelyet a forrás legközelebb vár

39

TCP PDU (=„segment”) struktúra 0

4

10

16

19

24

31

SOURCE PORT DESTINATION PORT SEQUENCE NUMBER ACKNOWLEDGEMENT NUMBER HLEN RESERVED CODE BITS WINDOW CHECKSUM URGENT POINTER OPTIONS (IF ANY) PADDING DATA …

•Code bits: a szegmens tartalma •Window: a küldő ismertté teszi a vételi pufferének méretét •Checksum: mint az UDP-ben •Urgent pointer: „out of band” adatok küldésére 40

Megbízható transzport-szolgáltatás 1.

2.

Pozitív nyugtázás A szokásos elv: a következő csomagot csak azt követően lehet küldeni, hogy ACK érkezett az előzőre. Duplikált ACK-k kezelése: sorszámozás Következmény: nem hatékony Csúszó ablakos („sliding window”) mechanizmusok Ablak-módszer; az ablak mérete megadja a „kintlevő” nyugtázatlan csomagok max. számát. Pl.: w=8 A TCP-ben: az ablak-mechanizmus oktett-eken működik Következmény: jó hatékonyság Egyben forgalomszabályozási (flow control) módszer is (biztosítja azt a sebességet, amit a vevő képes feldolgozni) 41

Go-Back-N Küldő † k-bit-es sorszám (seq #) a csomag fejlécében † N-ig terjedő “ablak” (“window”), az egymást követő nem nyugtázott csomagok megengedett száma

† ACK(n): minden csomagot nyugtáz (ACK-zik) beleértve az n-et is (seq # n) – együttes ACK (“cumulative ACK”) „

Duplikált ACK-t kaphat (ld. fogadó)

† Időzítő (timer) kell minden menet közbeni csomagra † Timeout(n): újraküldi az n. csomagot és minden nagyobb sorszámút az ablakban 42

Go-Back-N † Csak ACK: az ACK mindig a legnagyobb sorszámú, sorrendben, és helyesen kapott csomagra lesz kiküldve „ Duplikált ACK-et eredményezhet „ Csak a várt sorszámra kell emlékezni

† Sorrenden kívüli (out-of-order) csomag „ Eldobásra kerül (nem pufferel) -> nincs fogadó puffer! „ Csomag re-ACK (ismétlés) a legnagyobb sorrendhelyes sorszámmal

43

Go-Back-N: Működés közben

44

Selective Repeat † A fogadó egyedileg nyugtáz minden helyesen megkapott csomagot „ A csomagokat puffereli nem sorrendben történő kézbesítés esetére

† A küldő csak azokat a csomagokat küldi újra, amelyekre nem kapott ACK-et „ A küldőnek időzítője van minden nem ACK-zett csomagra

† Küldő ablak „ N egymást követő sorszám (seq #) „ Ismét az elküldött, nem ACK-zett csomagok sorszáma korlátoz 45

Selective Repeat: Küldő, fogadó ablakok

46

Selective Repeat működése Küldő

Adat érkezik felülről:

[rcvbase, rcvbase+N-1]

†

† † †

Ha a következő sorszám az ablakon belül van, csomag küldése

Timeout(n): †

N. csomag újraküldése, időzítő indítása

ACK(n) † †

Fogadó

Az n. csomag a

[sendbase,sendbase+N]

ablakban: Az n. csomag megérkezettként jelölése Ha ‘n’ a legkisebb még nem nyugtázott csomag, az ablak alapjának átállítása a következő még nem nyugtázott sorszámra

ACK(n) küldése Sorrenden kívüli: pufferelés Sorrendben: csomag átadása (és minden pufferelt, sorrendhelyes csomag átadása), az ablak alapjának átállítása a következő még meg nem kapott sorszámra

Az n. csomag a ablakban: †

ablakban:

[rcvbase-N, rcvbase-1]

ACK(n)

Egyébként: †

Eldobás (ignore) 47

Selective Repeat működés közben

48

Selective Repeat: ellentmondás Példa: † Sorszámok: 0, 1, 2, 3 † Ablakméret = 3 † A fogadó nem lát különbséget a két eset között! † Nem helyesen új adatként továbbítja a duplikált adatot az (a) változat szerint Kérdés: Mi a kapcsolat a sorszámtartomány és az ablakméret között? 49

„Sliding window” módszer a TCP-ben † Alapelv:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

ezt még lehet adni Várakozás ACK-ra: time–out Mekkorára válasszuk a time–out-ot? Probléma a túl kicsivel és a túl naggyal Megoldás: a teljes terjedési időhöz (round-trip time) igazítani, adaptívvá tenni Szabályok arra, hogy mit tegyünk, ha nem jön ACK a time-out alatt nyugtázott

† † † † †

w = 8 (oktett)

küldött

50

TCP sorszámok és ACK-ek Sorszámok: „ A szegmens adatok első bájtjának bájtfolyam sorszáma

ACK-k:

Hoszt A

Az „A” hoszt Seq =42, A CK=7 ‘C’-t küld 9, dat a = ‘C ’

A „B” hoszt nyugtázza ’ D ‘ = a kapott „C”-t, , data 3 4 = K és „D”-t küld 9, A C 7 = q Se vissza

„ Annak a bájtnak a sorszáma, amelyet a küldőtől vár „ Cumulative ACK

Kérdés: Hogyan kezeli a fogadó a sorrenden kívüli szegmenseket? „ A TCP specifikáció nem mond semmit, az implementációtól függ

Hoszt B

Az „A” hoszt nyugtázza a visszaküldött „D”-t

Seq=4 3, ACK =80

Idő Egyszerű telnet működés 51

TCP ACK előállítás Esemény a fogadónál

[RFC 1122, RFC 2581]

TCP fogadó tevékenység

Sorrendhelyes szegmens érkezése Az ACK késleltetése. Várj max. a várt sorszámmal. Minden korábbi 500 ms-ot a következő szegmensre! Ha nincs szegmens, küldd az ACK-et! sorszám már nyugtázott Sorrendhelyes szegmens érkezése Azonnali egyetlen cumulative ACK küldése, mindkét sorrendhelyes a várt sorszámmal. Egy további szegmens nyugtázása szegmens nyugtája felfüggesztve Sorrenden kívüli szegmens érkezése a vártnál nagyobb sorszámmal. Rés detektálása

Duplikált ACK azonnali küldése a következő várt bájt sorszámnak jelzésével

Szegmens érkezése, amely részben vagy teljesen kitölti a rést

ACK azonnali küldése annak a szegmensnek a megadásával, amely a rés alsó szélét jelenti 52

Gyors újraküldés (Fast Retransmit) † Ha a küldő 3 ACK-et kap ugyanarra az adatra, felteszi, hogy a „ Hosszú késleltetés az elveszett nyugtázott szegmens csomag újraküldése előtt utáni szegmens † Az elveszett szegmensek elveszett: felismerése duplikált ACK-val † A Timeout időszakok sokszor viszonylag hosszúak

„ A küldő sokszor sok szegmenst küld közvetlenül egymás után „ Ha egy csomag elveszik, sok duplikált ACK következik

„ Gyors újraküldés (fast retransmit): újraküldi a szegmenst már az óra lejárta előtt

53

TCP forgalomszabályozás † A TCP kapcsolat fogadó oldalának van egy fogadó puffere:

Forgalomszabályozás A küldő nem akarja túltölteni a puffert azzal, hogy túl sokat, túl gyorsan küld

† Sebesség összehangolási szolgálat † Az alkalmazási processz lehet, hogy lassan tud olvasni a pufferből

„ Összehangolja a küldési sebességet a fogadó alkalmazás ‘feldolgozási’ sebességével 54

TCP forgalomszabályozás működése † A fogadó megadja a szegmensben a puffer szabad helyének nagyságát (vagyis a RcvWindow méretét) (Tegyük fel, hogy a TCP fogadó eldobja a sorrenden kívüli szegmenseket)

† Szabad hely a pufferben = RcvWindow = RcvBuffer - [LastByteRcvd - LastByteRead]

† A küldő korlátozza a nem nyugtázott adatok mennyiségét a RcvWindow-ra „ Biztosítja, hogy a fogadó puffer nem csordulhat túl 55

TCP torlódásvezérlés: Additív növekedés, multiplikatív csökkenés † Megközelítés: növeljük addig az átviteli sebességet (ablakméretet), a használható sávszélesség kipróbálásával, amíg veszteség nem történik „ Additív növelés (AI): növeljük a CongWin-t 1 MSS-sel minden RTT alatt, amíg csomagvesztést nem detektálunk „ Multiplikatív csökkentés (MD): csökkentsük a CongWin-t a felére csomagveszteség detektálásakor congestion window

Fűrészfog tulajdonság látható: próbálkozás a sávszélesség beállítására

24 Kbytes

16 Kbytes

8 Kbytes

time

56

TCP torlódásvezérlés: Részletek † A küldő korlátozza az átvitelt: Hogyan érzékeli a küldő a torlódást? LastByteSent-LastByteAcked † Vesztési esemény = ≤ CongWin timeout vagy 3-szoros † Durván (duplikált) ACK † A TCP küldő csökkenti a CongWin rate = Bytes/sec sebességet (CongWin) RTT csomagvesztés után † A CongWin dinamikusan Négy mechanizmus: változik az érzékelt hálózati „ AIMD torlódás függvényében „ Lassú start (slow start) „ Konzervatív viselkedés timeout események után „ Gyors újraküldés 57

TCP Slow Start (lassú start) † Amikor torlódás kezdődik, † Amikor az összekötCongWin = 1 MSS tetés létrejön, növeljük a sebességet „ Példa: MSS = 500 byte & exponenciálisan az első RTT = 200 msec csomagvesztési „ Kezdeti sebesség = 20 eseményig, vagy egy kbps előre beállított † Az elérhető sávszélesség küszöbértékig lehet >> MSS/RTT „ Kívánatos a sebesség gyors emelése a megfelelő szintig

58

TCP Slow Start (folytatás)

„ CongWin duplázása minden RTT-ben, a „ CongWin növelése által minden kapott ACK-re

† Összegzés: a kezdeti sebesség alacsony, de a gyorsítás exponenciális mértékű

Host A

RTT

† Amikor az összeköttetés létrejön, növeljük a sebességet exponenciálisan az első csomagvesztési eseményig

Host B one segm ent

two segm en

ts

four segm ents

time 59

Kérdés: Mikor kell átkapcsolni az exponenciális növelésről a lineárisra? Válasz: Amikor a CongWin értéke elérte a timeout előtti értékének a felét (threshold).

CongWin

Finomítás

Implementáció: † †

Változó küszöb Vesztési eseménykor a CongWin a vesztés előtti értékének a felére állítódik 60

Fast Retransmission (gyors újraküldés) † 3 duplikált ACK után „ a CongWin-t a felére csökkentjük, és „ az ablak ezután lineárisan nő.

† De timeout esemény után „ a CongWin-t 1 MSS-re állítjuk, és „ slow start fázis, vagyis az ablak exponenciálisan nő a küszöbig, majd onnantól kezdve lineárisan.

Mögöttes filozófia † A 3 duplikált ACK azt jelzi, hogy a hálózatot azért hagyják el szegmensek, a torlódás nem jelentős † A timeout egy sokkal “veszélyesebb” torlódási helyzetet mutat

61

Összegzés: TCP torlódásvezérlés † Amikor a CongWin a Threshold (küszöb) alatt van, a küldő a slow start fázisban tartózkodik, az ablak exponenciálisan nő. † Amikor a CongWin a Threshold felett van, a küldő a torlódás-elkerülő (congestion avoidance) fázisban tartózkodik, az ablak lineárisan nő. † Amikor háromszoros duplikált ACK érkezik, a Threshold CongWin/2-re, a CongWin a Threshold-ra lesz beállítva, és torlódás-elkerülő fázis következik. † Amikor timeout történik, a Threshold CongWin/2re, a CongWin 1 MSS-re lesz beállítva, és slow start fázis következik. 62

Összegzés: TCP torlódásvezérlés fast retransmission

congestion avoidance

CongWin

congestion avoidance

slow start

slow start 63

Hívásfelépítés a TCP-ben „3-way handshake” eljárás Esemény A-nál SYN küldése, seq = x SYN + ACK vétele ACK y+1 küldése

Üzenetek

Esemény B-nél SYN vétele SYN, seq = y, ACK x+1 küldése ACK vétele

64

Híváslebontás a TCP-ben „Modified 3-way handshake” eljárás Esemény A-nál FIN seq=xx küldése ACK vétele FIN + ACK vétele ACK yy+1 küldése

Üzenetek

Esemény B-nél FIN vétele ACK xx+1 küldése (Az alkalmazás informálása) FIN, seq=yy, ACK xx+1 küldése

ACK vétele

65

TCP és UDP: összefoglalás o Mindkettő host layer/transport layer protokoll o Mindkettő portokat kezel o multiplexelés/demultiplexelés o ezáltal interface az alkalmazói folyamatok felé

o Az UDP összekött.mentes, best effort szolgáltatás o nem garantál célbajuttatást, csak hibajelzést nyújt o Gyorsan célbajuttat

o A TCP összeköttetés-orientált, megbízható transzport szolgáltatás o sorrendhelyes, hibamentes szállítást nyújt o ára: késleltetés

66

Tartalom † † † † †

Az Internet és a TCP/IP protocol stack Az IP, az IP protokoll-család Transzport protokollok: UDP and TCP Next generation IP: az IPv6 Alkalmazási példa: VoIP

67

Az újgenerációs Internet felé: az IPv6 protokoll † Nyilvánvalóvá vált, hogy a jelenlegi IP verzió (IPv4) jelentős módosításokra szorult, hogy megfeleljen a jövő követelményeinek † Fő motivációk:

„Új számítástechnikai és komunikációs technológiák „Új alkalmazások „Növekvő méretek és terhelések „A címtartomány „kimerülése”

† Az IPv6 kidolgozásra és elfogadása került mint az újgenerációs Internet-protokoll

68

A címtartomány kimerülése? † Jelenlegi felhasználószám? „ „

1997-ben 22.5 M host volt 2004-ben kb. 250 M, kb. 800 M felh.

„ „ „ „

A-oszt.: 128 hálózat, 16.777.216 host, kb. 2000 M B-oszt.: 16.384 hálózat, 65.536 host, kb. 1000 M C-oszt.: 2.097.152 hálózat, 256 host, kb. 500 M Összesen kb. 3.5 milliárd -> egy nagyságrend! De:

† Mennyi van?

† Probléma: strukturáltság. És: † Végpontszám várható drasztikus növekedése a „hagyományos” Internet-végpontokon kívüli területeken: szenzorhálózatok, kézi készülékek (PDA-k, mobilok), POS-terminálok, Internetre csatlakozó tv-készülékek † Előrejelzés: a jelenlegi struktúrájú címtartomány 20052010 között kimerül 69

IPv6: tulajdonságok † Megnövelt címtartomány, ami elég kb. 30 évre † Egyszerűbb és rugalmasan bővíthető fejrészformátum „ Alapfejrész: kevesebb funkció „ Bővíthetőség opcionális funkciókkal „ Gyorsabb feldolgozás a csomópontokban

† Erőforrás-allokáció támogatása † Biztonságos kommunikáció támogatása † Mobilitás támogatása † Továbbfejlesztési lehetőség (nyitottság) 70

IPv6: a datagram formátuma Általános formátum Basic header

Extension header 1

..

Extension header N

Data

opcionális

A „basic” fejrész 0

vers

4

16

Priority (4) Payload length

24

31

Flow label (24) Next hdr

Hop limit

Sender address Destination address 71

IPv4 <-> IPv6 † † † † †

Version mindkettőben IPv4 Type of service – IPv6 Priority IPv4 Total length – IPv6 payload length IPv4 Time to live – IPv6 Hop limit A v6 fejrész hosszabb (a hosszabb címek miatt), de egyszerűbb, kevesebb mező

72

IPv6: címzés † Megnövelt címtartomány: 128 bit-es címzés, nincs osztálystruktúra † Ez elég sok! „ 2exp128 -> ~10exp38 „ [Tanenbaum]: 1000 IP cím/földfelszín nm-re

† Ábrázolás: 16 bites hexadecimális számok „ Pl.: 0000:0000:0000:0000:1234:5678:9ABC:DEFF

† A nullák rövidítése (sok van!) „ Kezdő nullák elhagyása a szavakban „ 0-s sorozatok helyettesítése „::” szimbólummal, pl.: ::1234:5678:9ABC:DEFF

73

IPv6: címzési módok † Unicast – mint a v4-ben † Multicast – ez az IPv6 natív módja, nincs broadcast † Type: a cím elején 3…8 bit. Példák: 1111 1111 (1/256) : multicast 1111 1110 (1/256) : local unicast 010 (1/8) : aggregatable global unicast † Közvetlen leképezhetőség a 48 bit Ethernetcímekre 74

QoS az IPv6-ban † Priority „ Hasonlóan a v4 „ToS”-hoz

† Flow label „ Kidolgozás alatt „ Virtuális összeköttetések biztosítására adatfolyamok számára „ Adatfolyamot a cím és a flow label azonosítja, egy forrás-célállomás pár esetén több folyam is lehet „ Növekedési (skálázhatósági) probléma a folyamalapú eljárásoknál 75

IPv6: „opciók” Annak érdekében, hogy a fő fejrész egyszerű maradjon, header extension-ok

„ Hop-by-hop Options Header

† Különféle információ, amelyet minden csomópont meg kell vizsgáljon † Jumbogramm-ok támogatása (óriás-datagrammok)

„ Routing header

† Routerek felsorolása, amelyeket útba kell ejteni

„ Fragmentation header

† Mint a v4-ben, de csak a forrás darabolhat

„ Destination Options Header

† Csak a célállomás vizsgálja † Egyelőre nincs megtöltve tartalommal

„ Authentication header „ Encapsulation Security Playload header 76

IPv6: source routing (Routing extension header) A „routing” header: 0

Next hdr

8

16

Hdr length

24

Type

31

Segments left

Reserved First address Second address

77

IPv6: szegmentálás és újra összerakás (Fragment extension header) Szegmentálás csak a forrásnál (közbenső router-ek nem szegmentálnak) Következmény: a forrásnak ismernie kell a max. csomaghosszat a teljes útvonal mentén

Segmentation info in an additional header 0

8

Next header

16

Reserved

29 31

Fragment offset

MF

DATAGRAM IDENTIFIER UTOLSÓ SZEGMENS : MF = 0

78

IPv6 fejrész-példák IPv6 fejrész

TCP fejrész és adat

Köv. fejrész = TCP

IPv6 fejrész

Routing fejrész

TCP fejrész és adat

Köv. fejrész = routing Köv. fejrész = TCP

IPv6 fejrész

Routing fejrész

Fragment. fejrész

TCP fejrész és adat

Köv. fejrész = routing Köv. fejrész = fragment. Köv. fejrész = TCP

79

Átmenet az IPv4-ről IPv6-ra † Indokolt már ma? „ Címtartomány-gazdálkodási lehetőségek az IPv4-ben, pl. NAT-ok (Network Address Translator) „ QoS: bonyolultnak és nem skálázhatónak tűnik a folyam-szintű QoS-biztosítás, helyette: nyers erő (overprovisioning)

† Two types with embedded IPv4 address

„ “compatible” address: 96 zeros and the IPv4 address „ “mapped” address: 80 zeros, 16 1s and the IPv4 80

IPv4 címtartomány-kímélés NAT-ok alkalmazásával M A G Á N H Á L Ó Z A T

NAT útvonalválasztó Kimenő

forgalom

Bejövő

forgalom

Helyi Hálózat

Internet

P U B L I K U S H Á L Ó Z A T

Hátrányok: logikai kapcsolatok létrehozása a NAT-on túli állomásokkal, DNS, tunneling 81

Irodalom † Tanenbaum könyv (2oo4) II. kiadás 5.6.8 fejezet † Farkas Károly: „IPv6 – a jövő Internet-protokollja?” Híradástechnika, 2oo5. október

82

Tartalom † † † † †

Az Internet és a TCP/IP protocol stack Az IP, az IP protokoll-család Transzport protokollok: UDP and TCP Next generation IP: az IPv6 Alkalmazási példa: VoIP

83

A VoIP-hez szükséges protokollok (a legfontosabb további funkciók illusztrálása) Hívásvezérlés

H.323

Beszédtovábbítás

RTP

TCP

UDP IP

QoS

RÉTEGEK

RSVP

Application

Host Network

84

A VoIP-hez szükséges protokollok (folyt.) A feltüntetett magasabb rétegbeli protokollok példák három fontos funkcionális csoportra: 1

A beszédfolyam továbbítása – RTP,

Real Time Protocol 2

3

Hívásvezérlés VoIP-rendszerekben – H.323, az

ITU szabvány a hívásvezérlésre (és még több más funkciót is tartalmaz) Erőforrás-menedzsment, QoS – RSVP, Resource Reservation Protocol 85

TCP és UDP a VoIP rendszerekben 1.

A a) b) c)

beszédfolyam továbbítása: Közvetlenül IP felett– lehetséges, de nem célszerű UDP felett – célszerű az UDP portkezelése miatt TCP felett – nem használható (a késleltetés miatt) és nem szükséges (a beszédcsomagok elveszhetnek) d) Magasabb rétegbeli, az IP-n vagy az IP + UDP-n ülő protokollon (pl.: RTP, l. később) 2. Vezérlő/menedzsment-info: „ Tipikusan TCP-n 3. Felhasználói adatok átvitele, integrált beszéd-adatalkalmazásoknál: „ TCP 86

Mit tekintünk át a VoIPkérdéskörből? † A beszéd, mint csomag † Beszédcsomagok továbbítása (transzport) az RTP igénybevételével „ IP-UDP-RTP fejrész-halmozódás: overhead, fejrész-kompresszió

† Szolgáltatásminőség biztosítása IPhálózatokban „ IntServ és DiffServ

† Hívásfeldolgozás (call processing) 87

Beszédfelolgozás beszédcsomagkommunikációs rendszerekben † Analóg-digitális átalakítás „ A 64 kbit/s-os beszéd

† Redundancia kivonása a beszédmintafolyamból „ Tömörítési technikák „ A tömörített beszéd jellemzői

† Az inaktív szakaszok kivonása „ Szünet/aktivitás detekció

† Csomagokká alakítás „ Beszédcsomag-folyam továbbítása csomagkapcsolt hálózaton: késleltetés, jitter, csomagvesztés 88

Analóg-digitális átalakítás PCM: miért 64 kbit/s? Amplitudó

Amplitudó Mintavétel

Kvantálás

Idő

8000 minta/s (125 μs mintavételi időköz) 8 bites kvantálás (7 bit az USA-ban) 8 kHz * 8 bit = 64 kbit/s (USA: 56 kbit/s)

Idő

89

Speech redundancies (1) In time domain:

„ non-uniform amplitude distributions †coarser encoding of larger samples, little gain „ sample-to-sample correlations †many coding methods are based on it „ cycle-to-cycle correlations „ pitch interval-to-pitch interval correlations „ pause

In frequency domain:

„ non-uniform long-term spectral densities „ sound-specific short-term spectral densities „ (indicate time domain redundancies)

90

Speech redundancies (2) Pitch intervals •Voiced sounds Pitch interval

Encoding of pitch waveforms •Unvoiced sounds

91

Speech compression coding Three main categories of methods 1. Waveform coding

„

removes waveform redundancies quality criteria: reproduction of the waveform with min. MSE suitable for non-voice signals, as well (fax, modem signals) achievable compression rate: up to 4

„ „ „

no waveform reproduction the goal is to achive good perceptual quality higher compression rates can be achieved

ƒ

Combination of two approaches

„ „ „

2. Speech coding or vocoding

3. Hybrid methods

92

Coding/compression methods: waveform coding † DPCM – differential PCM „ Simplest case: transmit the coded difference between the present and preceeding samples „ More sophisticated (more efficient): use a predictor to estimate the amplitude of the next input speech sample and encode the difference only † ADPCM – adaptive … „ use statistics of the encoded signal to optimize predictor coefficients and quantizer 93

Coding/compression methods: speech coding (vocoding) † Sub-band coding „ Divide the spectrum into a few sub-bands and encode each sub-band separately (adjust the coding to the energy level and optimize based on perceptual significance) † Linear predictive coding (LPC) „ Analyses the waveform to produce a timevarying model of the vocal tract excitation and transfer function † Linear prediction analysis/synthesis (LPAS) 94

Summary of some speech coding standards Standard

Coding method

Bit rate, kbps

G.711

PCM

64

1

0,125

G.726

ADPCM

32

10

0,125

G.728

LPAS, CELP

16

50

0,625

G.729

LPAS,…

8

30

15

G.723.1

LPAS,…

6,3/5,3

25

37,5

Complexity Delay, ms

95

Perceptual quality of some speech coding standards

96

Speech packetization and reproduction Analog speech signal

silence

Speech packet at source Speech packets at destination Reproduced speech signal

time 97

Silence/activity detection (1) Analog speech signal time

Output of the speech detector time

98

Silence/activity detection (2) † Saving: min. 50% † Filling in the silence periods at the receiver (noiselike signal; smoothing at boundaries) † Incorrectness in detecting an active period: „ ts: cutting out the beginning (distortion) „ th: taking the beginning of the silence as speech (utilization) † Two methods „ energy level detection „ zero crossing count † Selection of the threshold to minimize distortion 99

Speech packetization and reproduction, delays tc – coding delay, not indicated (can be significant) tp – packetization delay; fixed γ – propagation delay across the network sources: actual propagation delay (usually small) processing delay (in nodes) queueing delay (in nodes) tR – artificial delay inserted to allow for jitter compensation and correcting packet misorder td – decoding delay, not indicated Total delay: δ = tc + tp + γ + tR + td 100

Jitter In δ, some components are random values, in particular processing and queueing delays SOURCE

A

B

C

time

DESTINATION

A γ1

B γ2 = γ1

C

time

γ3 ≠ γ2 101

Packet loss Losses occur due to — bit errors (no error correction in packet voice networks) — discarding packets at (i) intermediate nodes (ii) destination Packet losses up to 10% are tolerable if — Losses occur at random time instants — Packets (=speech segments) are relatively short (~10 ms) — Places of lost packets are „filled in” Fill-in: with noise-like sample series and preferably with smoothing at the boundaries 102

A beszédminőséget befolyásoló tényezők csomagkommunikációs hálózatokban † Késleltetés (delay) „ Oka: elsősorban a processzálás a forrásnál és a célban, esetleg a közbenső csomópontokban „ Megengedett maximum: 150 ms körül

† Késleltetés-ingadozás (jitter, delay variance) „ Oka: a feldolgozási késleltetések változásai „ Megengedett maximum: néhány tíz ms

† Csomagvesztés „ Oka: bithibák és csomag-eldobás „ Megengedett maximum: néhány %, feltéve ha †A kiesett beszédszegmensek rövidek (10 ms nagys.r.) †Véletlenszerűen oszlanak meg az időben 103

Beszédtovábbítás IP hálózatokban † „Transport”: A beszédtartalom továbbítása a

hívások alatt † Általánosabban: média transport; médiatartalom továbbítása (beszéd, adat, video) † Beszéd (média-) továbbító protokollok: A továbbítással és a kapcsolódó vezérlési típusú kommunikációval foglalkoznak † RTP – Real-time Transport Protocol

104

RTP az IP protokoll-családban RÉTEGEK

H.323

RTP

TCP

RSVP UDP

IP

Application

Host

Network

105

Az RTP által nyújtott szolgáltatások † Különböző tartalom-típusok kezelése (payload type identification) † Sorszámozás (sequence numbering) † Időbélyegek (time-stamping)

106

RTP: a csomagfejrész formátuma (1) 0 12 3 v=2 p x

8 cc

m

16 PT

31 sequence number

timestamp Synchronization Source Identifier (SSRC)

Contributing Source Identifiers (CSRC)

107

RTP: a csomagfejrész formátuma (2) Version (V, 2 bits) „ Az RTP verziószáma az RFC 1889 szerint

Padding (P, 1 bit) „ Ha 1, a csomag nincs teljesen megtöltve tartalommal „ Padding: az utolsó byte megmondja, hány byte-ot kell figyelmen kívül hagyni

Extension (X, 1 bit) „ Ha 1, a fejrészt változó hosszúságú bővítményfejrész (header extension) követi „ Ha van bővítmény, az első 2 byte megadja a hosszát „ A bővítmény-fejrész a fix fejrész utolsó érvényes mezője után következik 108

RTP: a csomagfejrész formátuma (3) CSRC count (CC, 4 bits) „ „

a CSRC azonosítók száma = a mpxált források száma (a források azonosítója: a CSRC mezőben) Ha csak egy forrás van: CC = 0

Marker (M, 1 bit) „ „ „

Jellegzetes, fontos események megjelölése a csomagfolyamban példa: frame-határok különböző tömörítési eljárásoknál, a beszéd aktív időszakainak eleje/vége A profil határozza meg, hogyan kell interpretálni

Payload type (PT, 7 bits) „

~ profil, kódolás típusa 109

RTP: a csomagfejrész formátuma (4) Sequence number (16 bits)

„ Lehetővé teszi az elveszett csomagok detektálását és a csomagsorrend helyreállítását „ Kezdőértéke véletlen szám (a fejrész-kompresszióhoz szükséges); 1-gyel növekszik minde elküldött RTP csomag után

Timestamp (32 bits)

„ Megadja az RTP csomag 1. oktettjének megfelelő mintavételi időpontot

SSRC (32 bits)

„ Az RTP csomag forrását azonosítja, az azonosítót az RTCP protokoll rendeli hozzá

CSRC (0…15 times 32 bits)

„ „contributing source”: az “RTP mixer” által előállított kombinált stream-en belül 110

RTP profilok = A média-kódolás megfeleltetése a payload-típusoknak. Példák (sok más definiálva az RFC-ben): Frame méret, ms

Csomaggyakoriság, ms

RTP payload type

Média Kódolás

Bit per Minta

Mintavételi frekvencia, kbit/s

G.722

8

16

-

20

9

G.728

-

8

2.5

20

15

GSM

-

8

20

3

Comfort noise

19

111

Az RTP-t használó real-time alkalmazások † † † † †

QuickTime (Apple) RealAudio és RealVideo (RealNetworks) NetMeeting (Microsoft) CU-SeeMe (CUSeeMe) IP/TV (Cisco)

Az RTSP-t (= Real-Time Streaming Protocol) is használják 112