Hálózatok 1. Számítógép-hálózatokhoz kötődő alapfogalmak és az ISO-OSI hivatkozási modell 1.a Számítógép-hálózatokhoz kötődő alapfogalmak A számítógép-hálózat fogalma, funkciói, jellemzői, topológia és méret szerinti osztályozásuk. Számítógép hálózat: Autonóm gépek (host, gazdagép) összekapcsolva kommunikációs hálózattal (Communication Network). Az egyik gépen futó alkalmazás üzenetet képes váltani egy másik gép alkalmazásával. Nem alárendelt kapcsolat. Elosztott rendszer: Egyetlen virtuális rendszer, aminek elemei együttműködnek egy feladat megvalósítása érdekében, ahol a felhasználónak nem kell azonosítania a gépeket, szolgáltatásokat, nem kell ismernie azok helyét. Elosztott rendszert implementálható számítógép hálózatra. A gazdagépeket összekötő kommunikációs hálózat (Communication Network) elemei: 1.Átviteli vonalak: csaturnák (channels). 2.Kapcsolóelemek:Interface Message Processor (IPM), amivel egy gazdagép egy vonalra kapcsolódik. 3.Kapcsológépek: Olyan számítógép, ami több átviteli vonalhoz kapcsolódik és feladata (üzenet)csomagok továbbítása, átviteli vonalai közötti irányítása.
A hálózat célja • Erőforrás összevonás/megosztás – Minden erőforrás a fizikai helyétől függetlenül bárki számára elérhető legyen • Megbízhatóság növelés – Több azonos funkciójú erőforrás, redundancia, adatbiztonság, • Gazdaságosság növelés – Pl. egy drága szupergép helyett több, kisebb, olcsóbb – GRID computing • Új (speciális) szolgáltatások: a kommunikáció – Pl. e-mail, chat Kiterjedés szerinti osztályozásuk • Lokális számítógép-hálózat (LAN) – ≈ 0-1 km, szoba-épületcsoport, kis távolság, nagy sebesség • Városi számítógép-hálózat (MAN) – <10 km, közepes táv, közepes sebesség • Nagytávolságú-hálózat (WAN): – kontinensekre, nagytáv, közepes vagy kis sebesség • Összekapcsolt nagytávolságú hálózat – bolygóra kiterjedő • A sebességhatárok elmosódnak! LAN-MAN –WAN, ma már mind Gbps nagyságrendű • Local, Metropolian, Wide Area Network Hálózatok csoportosítása: 1.Pont-pont közötti kapcsolatokból felépülő: Egy csatornán mindig két csomópont kommunikál. Az (üzenet)csomagokat a csomópontok tárolják és továbbítják a kívánt irányba (store and forward). Topológiák: csillag, gyűrű, fa, teljes, szabálytalan 2.Üzenetszórásos csatornára épülő hálózat(broadcast channel): Egyetlen csatornán az összes csomópont osztozik. Egy csomópont által feladott (üzenet)csomagot az összes többi veszi, de a csomagbeli címzésből tudják, kinek szól (a többi eldobja). Címmezőkben a feladó és a címzett címe. Vannak speciális címek (valamennyi gépnek szóló, csoport cím) Topológiák: sín, gyűrű, műboldas v. rádiós. Üzeneszórásos csatorna • Gond: Egyszerre csak egy állomás adhat – csatorna kiosztási probléma. • A csatornakiosztás lehet – Statikus - pl.: ciklikus multiplexálás (kiválasztás), (pl.: round robin)
• Gond: ha nincs adnivaló akkor kihasználatlan csatorna. – Dinamikus • csak azok versenyeznek, akik adni akarnak (jobb csatornakihasználtság). • Lehet: – centralizált (központosított): egy arbitrációs (ütemező) egység dönti el, hogy ki a következő. – decentralizált (elosztott): minden állomás maga dönt, hogy adhat-e (elosztott algoritmus) 1.b A számítógép-hálózatok kapcsolástechnika szerinti osztályozása A vonalkapcsolás, üzenetkapcsolás, csomagkapcsolás és virtuális vonalkapcsolás, főbb jellemzői, összevetésük. Vonalkapcsolt hálózat – Kapcsolat felépítés (connection) a végpontok között, időigényes lehet – a dedikált vonalon kommunikáció a végpontok között ( elöny: nincs torlódás), – végül kapcsolat bontás. –Impulzusszerű (burst-ös) forgalom esetén nem kedvező. Kihasználatlanság léphet fel – Pl. a nyilvános kapcsolt telefon hálózat ilyen. Üzenetkapcsolt hálózat – Teljes üzenet feladása megtörténik, – a csomópontok tárolják, majd továbbítják (store-and-forward) az üzenetet. – Nincs korlát az üzenet méretére. – A torlódás kontrollálható, jól kihasználja a médiát Csomagkapcsolt hálózat – A csomópontok között kapcsolaton (link-en)dinamikusan osztoznak a csomagok – Korlátos tárolókapacitás igény a csomópontokon, – kisebb késleltetés lehetséges – Nagyobb lehet az átbocsátó képesség. Virtuális vonalkapcsolás • Csomagkapcsolás, de – logikai útvonal alakul ki a végpontok között, – a csomagok ugyanazt az útvonalat használják (ezért feladási sorrendjükben érkeznek). – Hasonlít a vonalkapcsoláshoz, de az útvonal nem dedikált (más csomagok is osztoznak egyes linkeken). – A logikai útvonal létesítéséhez kapcsolat felépítés kell! • Szembesítve a datagram kapcsolással: – ennél minden csomag függetlenül továbbítódik, – sorrend “felborulhat” (rendező protokoll kell), – nem kell kapcsolat felépítés. 1.c A számítógép-hálózatok ISO-OSI hivatkozási modellje Az ISO-OSI hivatkozási modell szerkezete, rétegei és azok főbb funkciói. A réteg, interfész, funkcionális elem, protokoll és hálózati architektúra fogalma. Hálózati architektúra • Réteg: – Jól definiált szolgáltatásokat nyújt a felette lévő rétegnek – Elrejti a szolgáltatások megvalósításának részleteit („fekete dobozos” tervezés) • Interface: – Az alsóbb réteg által a felsőnek nyújtott elemi műveletek és szolgálatok definíciója – (Az interfészen keresztül (le és fel) vezérlő információk és adatok adódnak át) • Funkcionális elem (entity):
– Az adott réteg funkcióinak megvalósítása – A funkcionális elem a réteg alatt és felett lévő szolgáltatásokat köti össze. Társelemek • Társelemek (peer entities): – A különböző gépeken egymásnak megfelelő rétegben lévő funkcionális elemek. • Virtuális kommunikáció: – A társelemek kommunikációja • Fizikai kommunikáció: – A rétegek közötti interfészeken keresztül lefelé, ill. felfelé adat és vezérlő információk átadása • Ha az egyik gép n. rétege egy másik gép n. rétegével kommunikál az virtuális kommunikáció míg, a valós kommunikáció ui. a fizikai rétegben történik). • Protokoll: – A kommunikáció során használt szabályok és konvenciók összessége. Hálózati architektúra • Rétegek és protokollok halmaza • Elegendő információ az implementáláshoz • Nem része sem a részletes implementáció, sem az interfészek specifikációja Hivatkozási (referencia modell): Megadja a rétegek ajánlott számát és - a rétegek funkcióit. Nem határoz meg protokollokat, interfészeket, de a hivatkozási modell ismeretében protokollokat alkothatunk. ISO-OSI réteg kialakítási szempontok: A rétegek különböző absztrakciós szinteket képviseljenek és jól definiált feladatokat hajtsanak végre. A feladatok megválasztása során szabványokat teremtsenek. Minimális információcsere legyen a rétegek között. A rétegek száma ne legyen túl sok (egyszerűség), de elég sok, hogy egy rétegbe kevés feladat kerüljön. Ajánlott 7 réteg: Fizikai réteg (bitfolyam): A bitek kommunikációs csatornán való áthaladásáért felelős. -1es bitek reprezentációja -kapcsolat felépítés/bontás -a közeg és csatlakozók fizikai kialakítása -adatátviteli irányok meghatározása Az adatkapcsolati réteg(keretek): A hálózati réteg számára hibamentes átvitelt biztosít. -keretképzés és behatárolás -hibák ellenőrzése, javítása -adatfolyam vezérlés, forgalom szabályozás -szükség esetén csatornamegosztás A hálózati réteg(csomagok): A kommunikációs hálózat működését vezérli. -csomagok forrás- célállomás közötti útvonalak meghatározása -torlódás vezérlés -heterogén hálózat összekapcsolás A szállítási réteg (datagram, szegmens): A viszonyréteg üzeneteinek továbbítása, valódi forrás-cél réteg. -üzenetek tördelése,ill. összeállítása -összeköttetések létrehozása -több egyirányú kérés multiplexálás; -hibakezelés Viszonyréteg(üzenetek): Különböző gépek között felhasználói viszonyok létesítése. -párbeszédek szervezése -szinkronizáció -kölcsönhatás menedzselés Megjelenítés réteg(üzenetek): Az átviendő információ szintaktikájával és szemantikájával foglalkozik. Gyakori általános megoldású feladatok elvégzése. -kód konverzió -titkosítás -tömörítés
Alkalmazási réteg(üzenetek): Széles körben igényelt protokollokat tartalmaz. -fájl és nyomtatásszolgáltatások -kommunikációs szolgáltatások -Directory szolgáltatások -Alkalmazás szolgáltatás
1. A számítógép-hálózatok ISO-OSI hivatkozási modelljének fizikai rétege 2.a Alapfogalmak és elméleti sebesség korlátok A számítógép-hálózatok fizikai rétegének funkciói, az átviteli közegekkel kapcsolatos elvárások, közeg osztályok, főbb típusok, közeg összevetési szempontok. A csatorna adatátviteli és jelzési sebessége sávszélesség, zajmentes (H. Nyquist) és véletlen zajjal terhelt (Claude Shannon) sávkorlátozott csatornán elérhető maximális adatátviteli sebesség. Fizikai réteg (bitfolyam): A bitek kommunikációs csatornán való áthaladásáért felelős. -1es bitek reprezentációja -kapcsolat felépítés/bontás -a közeg és csatlakozók fizikai kialakítása Csatorna átviteli sebessége[bps]: átvitt adatmennyiség[bit]/idő[sec]. A csatorna jelzési sebessége(1 mp-re eső jelzésváltás szám)[baud]: átvitt jelzésszám[db]/idő[sec]. Csatorna jelterjedési sebesség[m/sec]: Jelterjedés távolsága[m]/idő[sec]. Csatorna sávszélesség: -A legmagasabb és legalacsonyabb átvitt frekvenciák különbsége. -Egy valóságos csatorna sávkorlátozott...(teljesítményveszteség, szűrők miatt). Zajmentes, sávkorlátozott csatornán elérhető maximális adatátviteli sebesség: Nyquist: Ha tetszőleges jelet H sávszélességű alul-áteresztő szűrőn átengedünk, akkor szűrt jelből másodpercenként 2H-szor mintát véve az eredeti jel teljesen visszaállítható. Ebből: Max adatátviteli sebesség=2*H*log2V ahol H: sávszélesség, V: a jel diszkrét értékeinek száma (jelzések száma). C. Shannon határozta meg a véletlen (termikus) zajjal terhelt csatornákra az elméleti maximális adatátviteli sebességet. Max elérhető adatátvit seb= H - log2(l+S/N); ahol H: sávszélesség, S/N: a jel-zaj viszony. Decibelben: S/NdB=10*log10S/N). Shannon: Zajos sávkorlátozott csatornán a maximális adatátviteli sebesség független a jelszintek (jelzések) számától, a mintavételezési gyakoriságtól. Gyakorlatban a korlát megközelítése is nehéz
A fizikai közegek • Az átviteli közegek. • Céljuk: a nyers bitfolyam szállítása • Jellemzőik: – az elérhető adatátviteli sebesség (jel/zaj viszony alapján a Shannon tételből), – alapsávú impulzus átvitel – szélessávú (modulációs) átvitel. – Az jelfrissítés nélkül áthidalható maximális távolság, – a zavarvédettség, – megbízhatóság (mechanikai tulajdonságok), – üzenetszórásra, pont-pont átvitelre, esetleg mindkettőre való alkalmasság, – ár, költségek. Az átviteli közeg • Fémes vezetők (elektromos áram) (Copper) – Sodrott érpár – Koaxiális kábel • Fényvezetők (fényhullámok) – Üveg, műanyag (fibre optic)
• Vezetéknélküli átvitel (elektromágneses hullámok) – mikrohullám, – műholdas, – optikai infravörös, lézeres stb.
2.b Fémes vezetők átviteli közeg A sodrott érpár és koaxiális kábel átviteli közegek, felépítésük, főbb típusaik, alkalmazásuk, főbb jellemzőik és összevetésük. Sodrott érpár(Árnyékolatlan): -pont-pont kapcsolatra -közeli központig, modulált átvitel -néhány Mbps -közepes zavarvédettség, és megbízhatóság -olcsó megoldás STP(Árnyékolt csavart érpár): -árnyékolás -> csökkenti az interferenciát, áthallást -jó zavarvédettség és megbízhatóság -4 vezeték(adás/vétel) -vastagabb kötegek -1Gbps max. 25m -valamivel drágább mint a sodrott UTP(Árnyékolatlan csavart érpár): -közepes zavarvédettség és megbízhatóság -valamivel olcsóbb, könnyű szerelni -4 vezeték adás/vétel ág -100m max. alapsávi imp.átvitel A koax kábel (1 ponton földelni) jó zavarvédettségű, jó megbízhatóságú. • Közepesen drága – (a vékony Ethernet olcsóbb, mint az UTP). • Üzenetszórásos csatorna (busz) kialakítás koax kábelen: – Egyetlen tápvonal, a végein hullámimpedanciával lezárva. – Nagyimpedanciás csatlakozások – T dugó, vagy rászúrható, „vámpír” csatlakozás (működés közben is csatolható/bontható) • Felépítés – rézmag, szigetelő dielektrikum, fonott külső vezető, műanyag burok
2.c Fényvezetők átviteli közeg A multi- és monomódusú optikai kábelek, felépítésük, főbb típusaik, alkalmazásuk, főbb jellemzőik (veszteség típusok) és összevetésük. Optikai kábel „Hajszálvékony” üveg (szilikát) szál,fényhullámokat "vezet" • Kiváló zavarvédettség, jó megbízhatóság. • Jelenleg kb. max. 10 Gbps 10km távolságon • Tipikusan pont-pont kapcsolatokra. Multimódusú szál: Magátmérő>fényhullámhossz; A fény a határfelületeken visszaverődve halad a különböző hullámhosszú fémhullámok különböző időben érkeznek
Szokásosan az adó: LED, vörös látható (hullámhossz: 850nm), a vevő fotodióda/tranzisztor Áthidalható<10km Adatátviteli sebesség: <1Gbps. Monomódusú szál: -Magátmérő=fény hullámhossz hullámőrző tulajdonság: a fény „elhajlik" a szállal Az adó félvezető lézer, infravörös 1300nm hullámhossz kisebb csillapítás, nagyobb áthidalható távolság, kb. 100km Gyors, az adatátviteli sebesség<10Gbps.
2.d. Vezetéknélküli átviteli közege Főbb vezetéknélküli átviteli módszerek, alkalmazási területeik, főbb jellemzőik és összevetésük. Vezetéknélküli átvitel: -Elektromágneses hullámok terjedése levegőben; -Nagy távolságokra is. URH rádió: -Kis távolságú, alacsony sebességű mobil összeköttetés a bázis állomás-terminálok között Kielégítő rendelkezésre állás, időjárás és pozíciófüggő bit-hiba arány. Földi mikrohullám: -Közepes vagy nagy távolságokra. –Nagy seb., időjárásfüggés –rálátás kell. Műhold: -Mikrohullámú átvitel földi állomás és műholdak között; -nagy sebesség; -gond a magas terjedési késleltetés; -Transzponder: bizonyos spektrumot figyelnek, erősítenek és visszaadnak. Nemzetközi egyezmények a frekvenciasávokra. Geostacionárius műholdak kb. 36000 Km magasságban. Lézeres optikai• Kistávolságú, stabil telepítésű (pl. épületek között),• nagy sávszélesség,• időjárásfüggő.
2.e. Jelkódolási és modulációs módszerek Jelkódolás és moduláció, alapfogalmak, néhány konkrét jelkódolási és modulációs módszer. Jelkódolás • Az átviteli módok lehetnek – Alapsávú átvitel – Szélessávú átvitel (telefontechnika: modulálás –digitális jelek analóg csatornán való továbbítása) • Egyszerű bináris jelkódolás (alapsávú) – bináris értékekhez a jelszintek (feszültség vagy áram): pl. 1: 1V; 0: 0V – Probléma szinkronizálásnál: pl. csupa 0 esetén nincs jelváltozás – Ezen segíthet pl. a Manchester kódolás • A Manchester-kódolás – Minden bitperiódus 2 részre oszlik, – a bitidő közepén mindig van átmenet (bitszinkron): • 1: magas-alacsony, • 0: alacsony-magas átmenet. – Hátránya: kétszeres sávszélesség igény (fele olyan széles impulzusok). • Különbségi Manchester kódolás (variáns) – 1: a bitidő elején hiányzó átmenet, – 0: a bitidő elején jelenlévő átmenet és a – bitidő közepén itt is mindig van átmenet, de – a jel polaritására érzéketlen. Jelek modulálása • Ilyen kell pl. analóg távbeszélőrendszeren való digitális jelátvitelhez • Gond a digitális jelek analóg kapcsoltvonali továbbítása. Modem (modulátor-demodulátor)kell. Feladata: – kapcsolat felépítés és bontás (mint a telefon) – a digitális bitfolyam modulált vivőjellé alakítása (oda és vissza). Digitális bitfolyam modulált vivőjellé alakítása • Modulációs módszerek (szinuszos vivőhullám) – amplitúdómoduláció: a vivőjel amplitúdóját változtatják; – frekvenciamoduláció: a vivőjel frekvenciáját változtatják;
– fázismoduláció: a vivőjel fázisát változtatják; – és ezek kombinációja (kombinált). 2.
A számítógép-hálózatok ISO-OSI hivatkozási modell adatkapcsolati rétegének közeghozzáférési alrétege
A MAC közeghozzáférési alréteg: Feladata: A fizikai címzés (MAC címzés) és csatornához való hozzáférés. Utóbbi a csatornamegosztás. Egyetlen (üzenetszórásos) csatorna megosztása több egymással versengő "állomás" között (beleértve a címzést is). Ezzel szolgáltatás biztosítása az LLC alrétegnek. LAN-oknál fontos.
3.a Csatorna-megosztási módszer osztályok A főbb csatorna-megosztási osztályok (statikus - dinamikus, dinamikus versengő determinisztikus) bemutatása és azok összevetése. Csatornamegosztási módszerek vizsgálatának szempontjai Különböző jellegű és nagyságú forgalom esetén – az átlagos késleltetés és a – csatornakihasználtság. A forgalom jellege lehet – folytonos átvitel: • hosszú időn át jól meghatározott sávszélességet igénylő (pl beszéd), – löketszerű átvitel (burst-ös): • véletlenszerű, aránylag rövid, löketszerű igény. A forgalom nagyságával kapcsolatos jellemzők: – csatorna foglaltság: • az átviteli kapacitás hány %-a foglalt; – kihasználtság: • az átviteli kapacitásból a „hasznos” adatátvitelre használt átlagos rész; – átlagos késleltetés: • a keret készenléttől a hibátlan átvitelig telt átlagos idő.
A csatornamegosztási módszerek lehetnek • Statikus – Fix felhasználószám, a csatornából mindenki egyformán részesül akkor is, ha arra valamely időpontban ténylegesen nincs is szüksége. • Dinamikus – Azon felhasználók között oszlik meg a csatorna, akiknek arra éppen szükségük van. – Vezérlés szempontjából lehet: • centralizált: egy kijelölt (esetleg speciális) állomás rendelkezik a csatorna kiosztásáról; • elosztott: elosztott algoritmus dönt (nincs kijelölt állomás). – A hozzáférési eljárás lehet • versengő (ütközéses) • determinisztikus (ütközésmentes) 3.b Statikus csatorna-megosztási módszerek Néhány módszer bemutatása és összevetése. FDM(Frequency Division Multiplexing) frekvenciaosztásos nyalábolás: n számú állomásnál a sávszélesség n egyenlő részre oszlik. Minden állomás kap egy részt. Mindenkinek külön frekvencia-sávja van és a sávot között "védősávok", így nincs interferencia Egyszerű, bizonyos esetekben jó hatásfok; változó állomásszám esetén, ha egyes állomások alacsony intenzitással használják sávszélességüket, másoknak esetleg nem jut csatorna; veszteségek a védősávok; TDM(Time Division Multiplexing) időosztásos nyalábolás: Van n állomás. A ciklusidőt n egyenlő részre osztjuk, és minden állomáshoz statikusan 1 időrést rendelünk. Az i-ik résben az i-ik állomás a teljes sávszélességet használhatja. A ciklusuk és a rések előállítása központi szinkronizációt igényel. Kihasználatlan időrések lehetnek.
Közös jell.: kötött állomásszámot feltételeznek; a keretek átlagos késleltetése n szerese annak, mintha az egész csatorna egy állomásé lenne; -FDM-kisebb sávszél, -TDM-nagyobb várakozási idő van; A csatornakihasználtság rossz kis és nem egyenletes forgalom esetén; jó folytonos, egyenletes terheléskor főleg kis- és rögzítet állomásszám mellett.
3.c Dinamikus versengő (ütközéses) csatorna-megosztási módszerek Néhány módszer bemutatása és azok összevetése. Az ALOHA protokoll* • Hawai Egyetem, 1970 körül, URH rádiós hálózat • Alapgondolat: – Rögzített, azonos hosszúságú keretek (nemcsak korlátozott méretűek); – Az állomások bármikor adhatnak (azonnal, mihelyt elkészül egy kerete); – Az adást követően nyugtára várnak (pozitív nyugta, illetve a válasz hiánya mint negatív nyugta); – Ha az állomás észleli, hogy a kerete ütközött (nincs nyugta), véletlenszerű ideig vár, majd újraadja • Csatornafigyelés nélküli többszörös hozzáférés. Réselt ALOHA 1972-es módosítás: réselt (slotted) ALOHA Az időt keretidőnyi résekre osztják – külön meg kell oldani az állomások szinkronizációját, pl. egy külön állomás küld egy speciális jelet minden rés elején. Adást csak az időrés elején lehet kezdeni! Az ütközésveszélyes kritikus időszakasz 2T-ről T-re csökken! CSMA - Carrier Sense Multiple Access – csatornafüggő többszörös hozzáférés•Lényege: az adásra kész állomás belehallgat a csator-nába, ha nincs adás adni kezd és(2) • ha van adás: megvárja a végét, akkor kezd adni és (2): Végig leadja a keretet. Ha ütközés volt: véletlen ideig vár és újraadja Nonpersistent CSMA): Állomás belehallgat a csat-ba, ha nincs adás adni kezd, ha van véletlen ideig vár, majd belehallgat. Nem figyeli folyamatosan a csat-ot. Végigadja a keretet Ütközésnél szintén véletlen ideig vár majd belehallgat – kevésbé mohó (p-persistent CSMA) Réselt csat-ot alkalmaz Áll beehallgat és ha nincs adás p valószínűséggel adni kezd és (1-p) valséggel nem ad, hanem megvárja a köv időrést. Ha a csat foglalt, megvárja míg felszabadul. Leadja a keretet. Ha ütközés volt, véletlenszerű ideig vár majd belehallgat CSMA/CD – CD: ütközésvezérlés Belehallgat, ha nincs, ad. Ha van adás, folytatja a figyelést, míg a csat tétlen nem lesz, ekkor ad. Képes ütközést érzékelni, miközben ad és abbahagyja az adást, így időt nyer.
3.d Dinamikus determinisztikus (ütközésmentes) csatorna-megosztási módszerek Néhány módszer bemutatása és azok összevetése. Alap bittérképes módszer (Basic Bit Map Method): A bejelentkezési periódus pontosan N résből áll. Ekkor minden állomáshoz 1 bites rést rendelünk. A bejelentkezési időszak után sorrendben elküldik az állomások a kereteiket. Mind tudja mikor lesz bejelentkezési időszak.Jell: -Kis forgalom esetén aránylag nagy késleltetés Broadcast Recognition with Alternating Priorities(BRAP) Üzenetszórás felismerés változó prioritással: Módosított bit map. Lényege: ha egy állomás adási szándékot jelent be, akkor a bejelentkezési időszak felfüggesztődik, és azonnal adhat az állomás; Utána folytatódhat a bejelentkezés a következő álomással; Vezérjeles eljárások: -(logikai) gyűrűt alkotnak; -speciális vezérlőkeret (token) jár körbe, hordozva az adásjogot; -Nem kötött a keretméret, de a token tartási idő igen; -A tokent "birtokoló" állomás több keretet is küldhet; -Adás végeztével továbbadja a tokent; -Csak 1 token, egyszerre 1 állomás adhat. Jell: Kis forgalom esetén jelentős a késleltetés; állomásszámtól függő Nagy forgalom esetén a kapacitás kb egyformán oszlik meg az állomások között). Token bus(vezérjeles sin): Állomások üzenetszórásos sinhez kapcsolódnak, logikai gyűrűt formálnak.
Token Ring(vezérjeles gyűrű): Fizikailag gyűrűben; Ha egy állomás tokent kap: -"felvágja" a gyűrűt és ad; -A (címzett) keret körbemegy:egy állomás, ha nincs nála a token(a keret(ek)et továbbadja; a neki címzett keretet fel is dolgozza); -A token birtokló állomás a körbejárt keretet "leveszi"(saját kerete) Ha lejárt a token tartási idő, továbbadja
3.e. Az "ALOHA" csatorna-megosztási módszer áteresztőképességének becslése a csatornaterhelés függvényében A becslés főbb lépései "tiszta"és "réselt" ALOHA esetén. n:populációszám t:keretidő(keret-hossza/bitsebesség) Si: annak valószínűsége, hogy az i. állomás által küldött keret sikeresen jut át a keretidőben Gi: annak valószínűsége, hogy az i. állomás ad a keretidőben Si=S/n(S:egy keretidőben sikeresen átjutott keretek száma=áteresztő képesség[keret/keretidő]) Gi=G/n(G: egy keretidőben összesen elküldeni kívánt keretek száma=terhelés[keret/keretidő]); S
3. A számítógép-hálózatok ISO-OSI hivatkozási modell adatkapcsolati réteg – az IEEE 802 LAN szabványcsalád 4.a Az IEEE 802.3 (CSMA/CD) - támogatott közegek és sebességek Támogatott közegek és sebességek bemutatása, működés duplex csatorna esetén. 802.3 MAC technika: CSMA/CD: Az állomás mielőtt adna, megfigyeli a csatornát, és megállapítja, - hogy a csatorna tétlen, nincs adás: ekkor adni kezd; - vagy a csatorna foglalat, van adás: ekkor folytatja a figyelést, míg a csatorna tétlen nem lesz: ekkor kezd adni. A topológia biztosítja a többszörös hozzáférést a csatornafigyelésnél. CD: képes, arra, hogy ütközést érzékeljen már miközben ad. Ütközés lép fel, ha több állomás ad szimultán. Ha ütközést detektál (adás közben), minden ütközést detektáló állomás abbahagyja az adást, és helyette értelmetlen jelet (jamming signal) küld, hogy mindenki biztos észrevegye az ütközést. Ezután véletlen ideig vár (helyettes exponenciális visszatartási), majd újrapróbálkozik.
• 10BaseT - 10Mbps – min. keret 64 byte = 512 bit; ⇒ 2τ = 51,2 µsec – Manchester kódolás • 100BaseT Fast Ethernet (802.u) - 100Mbps – min. keret 64 byte = 512 bit; ⇒ 2τ = 5,12 µsec – 4B/5B + MLT-3 kódolás • Pont-pont kapcsolatok – Half-Duplex – CSMA/CD – Full-Duplex – flow control 802.3x „pause frame” • „pause frame” vétele esetén egy időre beszünteti az adást 802.3z: Gigabit Ethernet: legelterjedtebb hálózati technológia; kompatibilis a régebbi Ethernet rendszerekkel. CSMA/CD full és half duplex támogatással; réz, single- és multimode optikai kábel támogatás. 10GBASE Ethernet (802.3ae): csak a Duplex üzemmódot támogatja; nincs definiálva repeater; a keretformátum nem változik ( 64 byte→1518 byte); komplex soros bitfolyam
4.b Az IEEE 802.3 (CSMA/CD) - keretformátum, MAC címek A 802.3 és az Ethernet keretformátum, MAC címek. 802.3/Ethernet keret szerkezet: PA : Előtag (Preamble) SFD : Keretkezdet határoló (Start of Frame delimiter) DA: Célcím (Destination Address) SA: Forrás (Source Address) LEN: Adatmező hossz (Length) -- bájtokban mért hossz Type: a magasabb szintű protokoll LLC PDU+Pad: Adat+töltelék -- minimum 46 bytes, maximum 1500 FCS : Ellenőrző öszeg (Frame Check Sequence) -- CRC-32
Pad szerepe: a min keretméret - a célcímtől a keret végéig. Ha az adatmező 46 bájtnál rövidebb, töltelék egészíti ki 46 bájtig! (Min. kerethossz)
MAC címek: A Célcím (DA) és a Forráscím (SA) a szabvány szerint 2 vagy 6 bájtosak lehetnek, de 10 Mbps esetén csak 6 bájtosak. Csupa 1: valamennyi állomásnak szóló cím. Ha a legfelső (47) bit=1: csoportcím; ha a legfelső (47) bit=0: közönséges cím. A 46. bit speciális szerepű: a helyi (1) és a globális (0) címek megkülönböztetésére van. A helyi címet a hálózatmenedzser konfigurálja, a globális címet az IEEE osztja ki, mely a világon egyedi.
4.c Az IEEE 802.11 (Wireless LAN) – struktúra Az IEEE 802.11 WLAN általános felépítése,az Access Point (AP) főbb funkciói. A WLAN celluláris architektúrára épül, a GSM-rendszerekhez hasonlóan cellákra van osztva Egy cella: Basic Set Service (BSS) A cellákat irányító bázisállomások (hozzáférési pont – Access Point – AP), amik a vezetékes és vezeték nélküli hálózatok között teremtenek kapcsolatot Vezeték nélküli csatolóval ellátott számítógépek: kliensek Vezetékes gerinchálózat, elosztórendszer (Distribution System – DS), amin keresztül az AP-k kapcsolódnak egymáshoz, azaz bridge-ként is funkcionál Több BSS-t összefoglaló elem: ESS – Extended Service Set Új állomás belépése a BSS-be: Szinkronizálnia kell magát a BSS Access Point-jához. Passive Scanning – addig vár, míg meg nem hallja az AP Beacon Frame-jét. Active Scanning – Request Frame-t küld és vár az AP kötelező Probe Response válaszára. A belépni szándékozó állomás ezek után azonosítja magát az AP-nál és kapcsolódik. Szinkronizáció: Az AP periódikusan (Beacon Interval) Beacon kereteket küld. A CSMA miatt ez változhat (nem az előző ténylegeshez méri a következőt, hanem az ideálishoz). A Beacon időbélyegén rajta van a feladás időpontja.
4.d Az IEEE 802.11 (Wireless LAN) – fizikai közeg, modulációs módok Támogatott fizikai közegek és szórt spektrumú moduláciás módok Az IEEE 802.11 szabvány a MAC alréteget, a MAC menedzsment protokollt, szolgálatokat és három lehetséges fizikai közeget definiál. • Fizikai közegek: – IR at baseband with 1-2 Mbps, – FHSS at 2.4GHz with 1-2 Mbps, – DSSS at 2.4GHz with 1-2 Mbps. Szórt spektrumú rádiós csatorna: DSSS, FHSS, OFDM. Nincs frekvencia-engedélyhez kötve DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum): szórt spektrumú rádiós csatornák: nagyobb sávszélesség; nagyobb adatátviteli képesség; jobb hatótávolság, csökkent adóteljesítmény, változatlan jelteljesítmény. FHSS (Frequency Hopped Spread Spectrum): Az adó frekvenciák gyors változtatása valamilyen előre definiált függvény szerint – amit a vevő követ. Hatékony keskenysávú zajok ellen. Immunis a többszörös utakkal szemben. OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing): A nagysebességű bitfolyam több alacsonyabb sebességűre bontja és azzal modulál több párhuzamos kisebb sávszélességű csatornát
4.e Az IEEE 802.11 (Wireless LAN) – közeghozzáférés vezérlés Keretformátum, az alkalmazott közeghozzáférési módszer (CSMA/CA), Distributed Coordination Function (DCF) és Point Coordination Function (PCF)üzemmódok. 802.11 keretformátum: Preamble (mindig 1Mbps sebességgel): Sync:128 bit; SFD:16 bit Start Frame Delimiter; PLCP Header (mindig 1Mbps sebességgel): Signaling Field: a keret további részének bitsebessége; Length Word: a MAC data byte-jainak száma; Header Error Check Field: 16 Bit CRC MAC Data:
Duration/ID: Power-Save Poll esetén az állomás azonosító. Egyéb esetekben a NAV számításához szükséges időtartam Sequence Control: Az ugyanazon kerethez tartozó részeket és azok sorszámát jelzi. Fragment Number (melyik keret része 12bit) és Sequence Number (hanyadik 4b) CRC: 32 bit Cyclic Redundancy Check Address-1: mindig a fogadó címe a BSS állomás, vagy ToDS esetén az AP címe (Receiver) Address-2: mindig a küldő címe a BSS állomás, vagy FromDS esetén az AP címe (Target) Address-3: FromDS esetén az eredeti Source Address, ToDS esetén az eredeti Destination Address. Address-4: Wireless Distribution System esetén használják, amikor két AP között küldik a keretet
DCF (Distributed Coordination Function): versengéses CSMA/CA. Az állomás mielőtt adni kezd, belehallgat a csatornába. Ha üres egy DIFS időn át, akkor adni kezd. Ha foglalt, akkor megvárja, míg felszabadul és ezt követően véletlenszerű ideig vár (Binary Exponential Backoff), majd újrapróbálkozik. Hiba esetén új Backoff időt sorsol. Hiba felismerését a pozitív nyugta hiánya adja. Ha egy állomás neki címzett hibátlan üzenetet vesz, akkor egy SIFS eltelte után pozitív nyugtát küld a feladónak. A feladó a nyugtából tudja, hogy sikeres volt a küldése PCF (Point Coordination Function): Centralizált, ütközésmentes közeghozzáférés vezérlés. A PCF-t a Point Coordinator irányítja. Az állomások kérhetik, hogy kerüljenek rá a PC Polling Listájára. Rendszeres időnként a PC a DCF versengés során magasabb prioritást kap. Miután megszerezte a csatornát, az Access Point állomás Polling Requests keretekkel szólítja meg a kiválasztott állomásokat, hogy küldjék el adataikat (versengés nélküli időszak). A versengéses és versengés nélküli időszakok váltakoznak. A PC a Beacon keret Duration mezőjével állítja fel a DCF időszakot. A versengés nélküli periódus hossza változhat – mind a PCF, mind a DCF alatti foglaltság késleltetheti a másikat. Annak érdekében, hogy a versengő DCF forgalom is életben maradjon a Point Coordinator-nak időt kell hagynia a DCF-re a rendszeresen ismétlődő PCF-ek között.
5. A számítógép-hálózatok ISO-OSI hivatkozási modelljének adatkapcsolati rétege keretképzés és felismerés 5.a Keretképzés és felismerés A keretképzés és felismeréscélja; a karakter-számlálásos, a karakter-beszúrásos, a bitbeszúrásos és az érvénytelen kódmintás keretezési módszer bemutatása. Az adatkapcsolati réteg(keretek): A hálózati réteg számára hibamentes átvitelt biztosít. -keretképzés és behatárolás -hibák ellenőrzése, javítása -adatfolyam vezérlés, forgalom szabályozás -szükség esetén csatornamegosztás Az adatkapcsolati réteg szokásos működése: – A hálózati rétegből kapott bitfolyamot diszkrét keretekké alakítja, melyeket ellenőrző összeggel lát el; – majd továbbítja a kereteket → bitfolyamból jelfolyam; – a kapott jelfolyam bitfolyammá alakítása: a kereteket behatárolása, az ellenőrző összeg visszaellenőrzése; – a bitfolyamot továbbítja a hálózati rétegnek. Keretképzés és behatárolás ≡ kerethatárok jelezése és ezen jelzések felismerése (a fölöttes hálózati réteg számára transzparensen)
A keretképzés indokai • Egyes MAC protokollok korlátos méretű (min., max.), esetleg fix méretű kerteket igényelnek • A fizikai átvitel késleltetése csökkenthető, ha a keretek rövidebbek • Egy keret meghibásodási valószínűsége csökkenthető, ha a keretek rövidebbek • A folytonos bitfolyamon végzett hibafelismeréshez, behatároláshoz elengedhetetlenül szükséges Keretképzési módszerek – A karakter-számlálásos keretezési módszer – A karakter-beszúrásos keretezési módszer – A bitbeszúrásos keretezési módszer – Az érvénytelen kódmintás keretezési módszer A karakter-számlálásos keretezés • A keret-fejrész egy mezőjében megadjuk a keret karaktereinek számát (a keret hosszát) • Feltétel: léteznie kell karakterszinkronnak, fel kell tudni ismerni az egyes karaktereket • Gond: nagyon sérülékeny: ha kiesik a szinkronból, félreértelmezi a kereteket – ha bit elcsúszás, esetleg karaktereket is félreértelmezhet • Hiba esetén nincs újbóli szinkronizálási lehetőség A karakter-beszúrásos keretezés (Character stuffing) • A keretek elejét és végét speciális karakter-szekvenciák jelzik. (Ez is csak karakterorientált módszer) • Hiba esetén a keretszinkron könnyen helyreállítható (csak a keret eleje szekvenciát kell keresni). • Keret eleje: DLE, STX • Keret vége: DLE, ETX • DLE: Data Link Escape • STX: Start of Text • ETX: End of Text • Általában terminál kapcsolatoknál alkalmazzák • Gond a transzparens átvitel: az adatok között ne legyen DLE, STX, vagy DLE, ETX • Megoldás: a kerethatárok elhelyezése előtt az adatok közötti valamennyi DLE-t meg kell kettőzni: – DLE+STX v. ETX párok a kerethatárokat jelezik, – a DLE+DLE pedig DLE a szövegben. • Gond: Karakter-orientált A bitbeszúrásos keretezés(Bit stuffing) • Bit-orientált, nem kötődik karakterekhez • Minden keret speciális bitmintával (flag) kezdődik és végződik • Gond: a bitfolyamban nem lehet ilyen bitminta • „Transzparenssé” alakítás: – A kerethatárok elhelyezése előtt az adó az adat bitfolyamba minden egymás utáni 5 db 1-es bit után beszúr 1db. 0-át; – a vevő a kerethatárok felismerése és levétele után minden egymás utáni 5 db 1-es bit után kivesz 1db. 0-át. – Így a 6 bites 1-es sorozat biztosan csak a kertet eleje, vagy vége lehet. Az érvénytelen kódmintás keretezés • A keretek elejét és végét az adatbitektől eltérő módon kódolt jelekkel jelzik. „Kódolás sértéssel”. • Előnye: Transzparens, hatékony A keret elejét és végét jelző kódok nem fordulhatnak elő az adatok között (nem kell még biteket sem beszúrni) • Hátránya: Nem lehet mindig megcsinálni (kódolás) Kombinált • Sokszor a karakter-számlálásos módszert kombinálják valamilyen más módszerrel.
5.b Közvetett és közvetlen hibavédelem, kódolás A közvetett és közvetlen hibavédelem; alapfogalmak; hibajelző és hibajavító kódolás; néhány tipikus hibajelző kódolási módszer bemutatása. • A hibavédelem lehet közvetlen hibajavító, hibajelző kódolás esetén a vett szóból. Alapvetően a redundanciára épül: a tényleges (hasznos) információknál több információt kell átvinni Mindig véges adategységekre vonatkozik • és lehet közvetett – hibajelző kódolás esetén nyugtázás útján. • A vevő – hibajavító kódolás esetén közvetlenül javíthatja is a hibát, – hibajelző kódolás esetén csak érzékeli, de saját maga nem javíthatja: közvetettség (az adó segítsége) • Az adó – Nem javítható hiba esetén (visszacsatolás a nyugtázási módszeren keresztül) újra kell adnia a keretet. Hibajelző kódok • Paritásos kód • Blokkonként paritás • Ciklikus redundancia kód (CRC) Paritásos kód • Az adatok végére egyetlen paritásbitet (parity bit) illeszt. Ennek értékét úgy kell választani, hogy – Páros paritás (even parity) esetén a kódszóban az 1-esek száma páros (even) legyen (párosra egészít ki), vagy – Páratlan paritás (odd parity) esetén a kódszóban az1-esek száma páratlan (odd) legyen. • A paritásos kód a kód H-távolságát 1-ről 2-re növeli, – ezzel 1 egyedi hibát észlelhetünk. • Gond: csoportos hibák esetén 0,5 a hibajelzés valószínűsége (csoportos hiba: több egymásmelletti bit sérül) Blokkonkénti paritásbit • Egymástól távoli biteket vizsgál és azokból képez paritásbitet (csoportos hibák észlelése) • Képzési módszer: – az adatbitekből „mátrixot” alkotunk; – és a paritást oszloponként képzi; – majd a kapott paritásbiteket a mátrix utolsó sorának teszi; – a biteket soronként küldjük el. Ciklikus redundancia kód • Cyclic Redundancy Check (CRC) • Más néven: polinom-kód (polinomial code) A bitfüzéreket 0 és 1 együtthatójú polinomoknak tekinti. Ellenőrző összeg: checksum
5.c Elemi adatkapcsolati protokollok Az elemi adatkapcsolati protokollok általános funkciói (közvetett hibavédelem, adatfolyam vezérlés), korlátozás nélküli szimplex (utópia), szimplex megáll és vár protokoll, szimplex protokollok zajos csatornára, forgóablakos protokollok. Elemi adatkapcsolati protokollok • Adatkapcsolati rétegek közötti protokoll
• Az adatkapcsolati réteg funkciói: – Keretképzés és behatárolás – Hibavédelem • Közvetlen (hiba észlelő, javító kódolás) • Közvetett (nyugta) – Adatfolyam vezérlés – Kapcsolat menedzselés • Közvetett hibavédelmet és adatfolyam vezérlést (forrás-vevő szinkronizálást) valósítanak meg. • Építenek a keretképzésre és a közvetlen hibaészlelésre. A vizsgált protokollok • Korlátozás nélküli szimplex (utópia) protokoll • Szimplex megáll és vár protokoll • Szimplex protokollok zajos csatornára • Forgóablakos protokollok Korlátozás nélküli szimplex (utópia) protokoll • További előfeltevések – végtelenek a bufferek (a vevő sohasem telik be) – hibamentes a csatorna • Működés: – Az adó folyamatosan ad – a vevő folyamatosan vesz • Egyirányú, nincs adó-vevő szinkronizálás (Utópisztikus nincs szükség sem hibajavításra, sem adatfolyam vezérlésre) Szimplex megáll és vár protokoll • További előfeltevések: – Véges bufferek (a vevő betelhet, szükséges a forgalomszabályozás); – Hibamentes a csatorna. • Működés: – (1) adó ad egy keretet, majd várakozik; – vevő veszi a keretet, majd nyugtát küld; – adó veszi a nyugtát, majd folytatja az (1) ponttól Az adónak meg kell várnia a vevő nyugtáját ⇒ visszacsatolás ⇒ szinkronizálja az adó sebességét a vevő sebességéhez ⇒ forgalomszabályozás Gond: Nem jó zajos csatornára (a nyugtavesztésen elakad) előfeltevés a hibamentesség Szimplex protokoll zajos csatornára • PAR: Positive Acknowledgement with Retransmission • További előfeltevések: – véges bufferek, – zajos csatorna. • Működés – (A1) az adó ad egy keretet, majd – (A2) beállít egy időzítőt és várakozik – (A3) az adó az időzítő lejárta esetén újraadja a keretet, majd megy (A2)-re – (A4) az adó nyugta vétele esetén megy az (A1)-re – (V1) a vevő érvényes keret vétele esetén továbbítja az a felettes rétegnek, majd nyugtát küld. – (V2) a vevő érvénytelen keret vétele esetén vár • A PAR protokoll – Forgalomszabályozást és – hibavédelmet biztosít (hiba esetén újraküldéssel) Gond:
– nyugta sérülés esetén ugyanazt a keretet az adó többször is elküldi – Ezért az egymás utáni kereteket meg kell tudni különböztetni – Elég 1 bit az adott keretek „megszámozására” – Forgóablakos protokoll • További előfeltevések: – végesek a bufferek, – zajos a csatorna. • Megoldandó probléma még: – Nagy átviteli késleltetés esetén túl hosszú kivárni a „körülfordulási időt” (amíg a nyugta visszaér az újabb keret elküldése előtt). • Megoldás: több nyugtázatlan keret elküldését kell lehetővé tenni, ugyanakkor sorrendhelyes keretátvitelt kell biztosítani. • Az elküldött kereteket „ciklikusan” sorszámozzuk • Az adó „ablakot” képez, melybe az elküldött, de még nyugtázatlan keretek sorszámai kerülnek. • A vevő „ablakot” képez, mely azokat a sorszámokat tartalmazza, mely sorszámú kereteket hajlandó fogadni.
6. A számítógép-hálózatok ISO-OSI hivatkozási modelljének hálózati rétege – funkciói, szervezése 6.a Funkciói, szervezése A hálózati réteg funkciói, virtuális áramkörön alapuló és összeköttetés mentes hálózatszervezés. A hálózati réteg(csomagok):A kommunikációs hálózat működését vezérli. – Az adatkapcsolati réteg: csak egyetlen „vonal” (single link) két vége közötti keretmozgatást végzi, pl. hibajavítás, sorrendezés, forgalomszabályozás – A szállítási réteg: valódi vég-vég (end-to-end) alapú (valódi forrás-cél kapcsolat) • A hálózati réteg két végpont közötti (end-to-end) átvitellel mikéntjével foglakozik (ismernie kell a hálózatot, topológia stb.) • Általánosan: – jól meghatározott szolgáltatások a szállítási réteg felé, azaz – a szállítási funkcionális elemtől NSAP-on át (Network Services Access Point) kapott és megcímzett (hálózati célcím, forráscím) adategységet (csomagot) a cím szerinti NSAP-hoz (a funkcionális társelemhez) (és sehová máshová) eljuttatni. A hálózati réteg funkciói • Forgalomirányítás – a csomag célba juttatása. – ismerni kell a topológiát – terhelésmegosztás (alternatív utak) • Torlódásvezérlés – Ne legyenek a hálózat egyes részei túlterheltek – Hasonló a forgalomszabályozáshoz, de ez nem csak két pont (adó-vevő) közötti, hanem a hálózat egészére vonatkozik. • Hálózatközi együttműködés – Ez az első réteg, ahol különböző hálózatok összekapcsolhatók (heterogén hálózatok kialakítása) A szállítási rétegnek nyújtott szolgálatok • Lehetnek:
– Összeköttetés alapú (virtuális áramkör) – Összeköttetés-mentes (datagram) – Üzenetkapcsolásos (Message Switching) – Csomagkapcsolásos (Packet Switching) – Virtuális vonalkapcsolás A virtuális áramkör szervezés kedvező, ha: – Elsődlegesen összeköttetés alapú szolgálatot biztosít – Ne legyen minden egyes csomagra forgalomirányítás A virtuális áramkörön alapuló alhálózat-szervezés • A hívásfelépítés során a forrás és célállomás között virtuális áramkör (Virtual Circuit) alakul ki. A forgalomirányítás a hívásfelépítéskor történik! • A kommunikáció során a csomagok ugyanazon az úton, a nyitott virtuális áramkörön (VC) haladnak (mindkét irányban). • A kommunikáció befejeztével a virtuális áramkört fel kell szabadítani • Az egyes csatornákon több virtuális áramkör is lehet (számuk maximált). Címzés: • Csak a hívásfelépítés során van szükség a teljes forrás, célcímre – Ezt követően már elegendő a virtuális áramkör jelzése ⇒Minden csomagban mező a virtuális áramkör jelzésére (Az egyes csatornákon több virtuális áramkör is lehet (számuk maximált)). Hívásfelépítéskor: • A csomópont kiválasztja a megfelelő irányú csatornát (útvonalat) és azon virtuális áramkört foglal le (pl. a legkisebb szabad sorszámút) • Ha nincs szabad áramkör, másik útvonalat választ. Ha ez sincs, a hívásfelépítés sikertelen. • Ez ismétlődik az útvonalat érintő valamennyi csomópontra ⇒Minden csomópontban táblázat a nyitott virtuális áramkörökről: melyik vonal melyik áramköre melyik vonal melyik áramköréhez kapcsolódik Datagram alapú alhálózat szervezés Minden csomag teljes cél, forráscímet tartalmaz Cím = állomás cím + NSAP cím (az állomás cím lehet hálózat + hoszt cím) Az egyes csomagok egymástól függetlenül haladnak, ⇒minden csomagra külön-külön van forgalomirányítás – (mehetnek más-más úton is)
6.b Forgalomirányítás Követelmények, forgalomirányítási módszerek, információgyűjtési és döntési módszerek, egyutas, többutas és táblázat nélküli módszerek. • A forgalomirányító algoritmus (routing alg.) dönti el, hogy a beérkező csomagot melyik kimenő vonalon kell továbbítani – Datagram alapú alhálózat esetén: minden csomagra külön-külön, – Virtuális áramkör alapú alhálózat esetén: csak az új virtuális áramkör létrehozásakor (hívásfelépítés) Alapkövetelmények, tervezési szempontok • Egyszerűség, megbízhatóság • Helyesség (azt tegye, ami a dolga, egy példányban, a megadott címre) • Robosztusság: meghibásodás esetén is maradjon működőképes (legalább valamilyen mértékben)
• Adaptivitás: adaptív, ha képes önállóan felépülni és alkalmazkodni a pillanatnyi körülményekhez • Stabilitás: indulástól véges idő alatt stabil állapotba kerüljön • Optimalitás: pl. költség, késletetés, min. ugrásszám szempontjából Az útvonalválsztás lépései • Döntések: a (router) csomópontok hozzák, merre továbbítsák a vett csomagot. • Információgyűjtés: a döntésekhez szükséges információk megszerzése. Forgalomirányítási módszerek Hierarchikus forgalomirányítás: a teljes hálózat alhálózatokra, al-alhálózatokra stb. bomlik • Az alhálózatokra bontás szempontjai: – földrajzi elhelyezkedés; – funkcionális összetartozás (pl. közös cél); – fizikai közeghatárok, adatkapcsolati protokollok szerint • Elég az egyes alhálózatok elérési irányát és csak a saját alhálózat cél cím szerinti irányait tartalmaznia a táblázatnak Forgalomirányítási döntési módszerek Lehetnek: • Egyutas, vagy többutas; • Táblázat alapú, vagy táblázat nélküli módszerek. Egyutas forgalomirányítás • Minden címhez egy továbbítási irányt tárol (táblázat) • Előnye: – egyszerűség – optimális lehet (ha a tárolt irányok optimálisak) • Hátránya: – nem robosztus (nem hibatűrő). Többutas forgalomirányítás • Minden címhez több, súlyozott továbbítási irány, melyek közül pl. súlyozott sorsolással választhat. • Az irányok közüli választás szempontjai (sorsolási súlyok): – előre megadott (fix) súlyok; – prioritás (a csomagok prioritás határozza meg); – a kommunikáció típusa: a forgalmi osztályok szerint (pl. gyors választ, vagy nagy sávszélességet igényel) – a helyi sorok mérete (kifelé menő vonalak terheltsége) szerint (terhelésmegosztás) • Előny: – több szempont figyelembevételére alkalmas; – robosztus; – adaptív. • Hátrány: – Bonyolultabb (több feldolgozási időt Táblázat nélküli módszerek A „forró krumpli” módszer: • amerre a legrövidebb a sor, arra továbbítjuk a csomagot (minél korábban szabadulhasson tőle) • Előny: – Nem kell információt gyűjteni, – egyszerű, robosztus.
• Hátrány: – Rossz vonali kihasználtság, – a késleltetési idő nem korlátos. Az „elárasztásos” (flooding) módszer: • minden csomagot minden irányba továbbít, kivéve ahonnan jött. ⇒ Nagyszámú többszörözött csomagot eredményez. • Fékezési mechanizmusok: – Ugrásszámlálással (csomag fejlécben mező, melyet minden csomópont állít) Egy bizonyos ugrásszám után minden csomópontok eldobja őket. – Csomagok sorszámozása: Az adó sorszámozza a csomagokat. Ha egy csomópont ugyanattól a feladótól ugyanolyan sorszámú csomagot kap, mint amilyet már korábban kapott, eldobja azt, mint másodpéldányt – Szelektív elárasztás: • A topológia ismeretében előre meghozza a forgalomirányítási döntéseket • Előny: – Egyszerű, robosztus, – optimális késleltetés. • Hátrány: – Rossz vonalkihasználtság. A „véletlen séta” módszer: • A bejövő csomagot valamely véletlen irányba továbbítja • Rossz vonalkihasználtság, de egyszerű és robosztus Információgyűjtési módszerek • Lehetnek: – Statikus, vagy dinamikus; – Centralizált, vagy elosztott módszerek Statikus: A hálózat üzemeltetője tölti ki a csomópontok táblázatait Pl. Legrövidebb út algoritmus, ahol állandó a kiindulási állomás Dinamikus: • Ilyenek a táblázatnélküli módszerek és • a „fordított tanulás” (backward learning) módszer Centralizált: Működése: – központ (nagy kapacitású) begyűjti az összes információt a csomópontokról (topológia, forgalmi irányok, terhelés) – ebből kiszámítja az optimális utakat és letölti azokat a csomópontok tábláiba. Elosztott forgalomirányítás Működés: • A szomszédok időnként átadják egymásnak aktuális tábláikat (ismereteiket a hálózatról) • A táblázatok tartalmazzák – az egyes célok elérési irányait – az illető cél távolságának (ugrásszám, vagy elérési idő) becsült értékét
6.c Torlódás vezérlés A torlódásvezérlés célja; pufferek előrefoglalása, csomageldobás, lefojtó-csomagok módszere, izaritmikus és forgalomszabályozásos torlódásvezérlés. • Megelőzze és/vagy elhárítsa azokat a szituációkat, melyekben egy összeköttetés vagy egy csomópont túlterheltté válik.
Torlódásvezérlő algoritmusok • Pufferek előrefoglalása • Csomageldobás (különböző eldobási szempontokkal) • Lefojtó-csomagok módszere • Izaritmikus torlódásvezérlés • Forgalomszabályozásos torlódásvezérlés Pufferek előrefoglalása • Minden átvinni kívánt csomagnak előre foglal puffert • Virtuális áramkör alapú hálózatokban használható, a hívásfelépítés során rendel a virtuális áramkörhöz pufferterületet - a hívásfelépítő csomag nemcsak táblabejegyzéseket generál, hanem puffereket is foglal. • Elutasítás lehetséges, amennyiben nem áll rendelkezésre az igényelt erőforrás Hátrány: nem gazdaságos (fölösleges pufferkapacitást foglal le) (sőt elutasíthat emiatt más hívásfelépítést). Megoldás pl: a sokáig tétlen puffereket felszabadítja. Csomageldobás First-Come-First-Served módon használja a puffereket ⇒ ha betelnek, eldobja az újabbakat Módosításai: Eldobási szempontok (prioritások) • pl. prioritási osztályok szerint, vagy • pl. az ugrások számát nézik, és azt dobják el, amelyik kevesebbet utazott Lefojtó-csomagok módszere • A források fojtása (még mielőtt a torlódás beállna) • Csomópont figyeli a kimenő vonalainak telítettségét, és ha az egy küszöbértéket túllép ⇒ lefojtó-csomagot küld a feladónak de az eredeti csomagot továbbítja. Az eredeti (továbbított) csomagot meg is jelölheti: ez a csomag már váltott ki fojtóüzenetet A küldő adaptivitása: – az első lefojtó-csomag vétele után csökkenti a forgalmát, majd – egy időzítés ideig nem fogad újabb fojtó csomagot – Ennek leteltével újabb időzítés: • ha ezalatt újabb fojtócsomag érkezik: tovább csökkenti forgalmát, • ha nem érkezik : visszanöveli az adott célirányú forgalmát. Izaritmikus torlódásvezérlés • Korlátozza a hálózatban egyidejűleg bentlévő csomagok számát • Engedélyező csomagokat (permit) használ ⇒ csak akkor adhat, ha engedélyező csomagot kapott ⇒ majd utána újabb engedélyező csomagot generál • Az engedélyező csomagok körbejárnak a hálózaton. • Módosítása:Engedélyező központ, akitől lehet engedélyt kérni. • Gond:Engedélyező csomagok megsemmisülése Forgalomszabályozásos torlódásvezérlés • A forgalomszabályozás: – adó ne árasszon el vevőt (két állomás viszonyára) • A fogadóállomások a forgalomszabályozást nem a kapacitásuk függvényében alkalmazzák, hanem valamilyen abszolút korlátozást vesznek figyelembe
6.d A hálózatközi együttműködés – heterogén hálózatok kialakításának eszközei A hálózatközi együttműködés eszközei (ismétlő, híd, forgalomirányító), jellemzőik, működésük. Repeater (ismétlő, media konverter, aktív hub): Funkciói: Az átviteli közeg csillapításából adódó korlátozások leküzdése. Több pontpont összeköttetés egy üzenetszórásos csatornává alakítása (pl. Ethernet UTP-n). Működése: A vett kereteket (bitfolyam) jelfrissítés után az összes kimeneten továbbítja (kivéve ahonnan jött). Protokolláris, közeg-hozzáférési funkciót nem lát el (kivéve, a CSMA/CD esetén az ütközés továbbítása). Kettő vagy több hálózatot köthet össze. Alkalmas különböző fizikai közegek összekötésére (lásd mint „média konverter”). Jellemzői: Különböző fizikai közegeket köthet össze, de csak azonos MAC (Media Access Control) eljárású hálózatokat köthet össze. A felsőbb protokollokra nézve transzparens. Speciális funkciók: Pont-pont kapcsolatok üzenetszórások közeggé alakítása (pl.UTP). Fizikai közeg típusváltás (média konverter). Speciális biztonsági funkciók egyes ismétlőknél pl.: - portjaihoz általában 1-1 állomás kapcsolódik. - Egy adott port csak attól fogad el keretet (kapcsoló állomás), akinek a MAC-címét (6 byte) adminisztratív eszközökkel beállították. - Az ismert cél című keretet csak a cél MAC-című állomásnak továbbítja eredeti formájában, a többi kapcsolódó állomásnak csak a kerettel azonos hosszúságú véletlen jelet továbbít. Bridge (híd): Funkciói: Közeg-hozzáférési eljárások késleltetési korlátját küzdi le. Közeg-hozzáférési szempontból (MAC) független hálózatokat köt össze. Működése: Két vagy több hálózatot köthet össze. Mindegyik hálózaton önálló állomásként van jelen. Valamely hozzá kapcsolódó hálózaton vett keretet a többi (vagy egyik) hálózatra továbbítja. Típusai: Transzparens hidak (transparent) vagy feszítőfás hidak (spanning tree); Forrás által forgalomirányított hidak (source routing). Bridge – Előnyök : Egyszerű installálhatóság; Transzparens, bárhova tehető. Hálózati protokoll független. A pusztán hidakkal/ismétlőkkel összekötött hálózat egy logikai hálózatnak tűnik. Jó ár/teljesítmény viszony. Bridge – Hátrányok: Nem képesek terhelésmegosztásra a redundáns utak között. Bizonyos helyzetekben nagy forgalomtorlódást okozhatnak. Az egyes hálózati részek forgalma részben keveredik, nehéz a forgalmat kézben tartani, hibát (támadást) keresni. A hálózat forgalmának bármely része lehallgatható Router - forgalomirányító - útvonal-irányító: Funkciója: Szeparált hálózatokat össze. Működése: Forgalomirányítás (csomagok forgalomirányítása) router táblázatok alapján. A hálózati rétegben működik, ezért hálózati-protokoll függő. Típusai: - Egy protokollt kezelő routerek; - Multiprotocol router: (több protokoll csomagformáját ismeri, párhuzamosan köt össze különböző protokollok szerint); - Brouter (bridge router): ha felismerhető a protokoll, router; ha nem felismerhető a protokoll, bridgeként működik. Gond: az olyan hosszúságú csomagok kezelése, amely meghaladja valamely köztes alhálózat maximális csomagméretét. Kezelése: a továbbítás megtagadása, vagy a csomag feldarabolása (fragmentation). A feldarabolás lehet transzparens (a routerek össze is rakják) vagy nem transzparens (csak a célállomás rakja össze). Jellemzői: Különböző MAC hálózatokat köthet össze. Protokollfüggő eszköz. Teljes forgalomszeparálásra képes. Alkalmas nagy távol További funkciók lehetnek: Adat-/hálózatvédelem – csomagszűrő tűzfal. Felhasználó menedzsment – hozzáférés engedélyezés/tiltás. Kapcsolat és útvonal menedzsment – kapcsolat engedélyezése/tiltása, útvonalak megválasztása ság áthidalására. A hálózat méretére, állomásszámára nincs elvi korlát. Router – Előnyök: Teljes forgalom szeparáció. Alternatív utak közötti terhelésmegosztás. Rugalmas konfigurációs lehetőségek, forgalomirányítási szabályok, „csomagszűrő” tűzfal. Router – Hátrányok: Konfigurálni kell. Protokollfüggő. Valamivel lassabb a Bridge-nél. Nem route-olható protokoll esetén ő is csak bridge-ként működik.
7. A TCP/IP protokoll szövet és az Internet 7.a A TCP/IP protokoll szövet struktúrája Az Internet hivatkozási modell (DoD) és az ISO-OSI hivatkozási modell összevetése. A TCP/IP protokoll szövet főbb részei (ARP, RARP, IP, ICMP, TCP, UDP) és azok funkcióik. A Dod-ban az alkalmazási, megjelenítési és viszonyréteg helyett csak alkalmazási réteg van ARP (RFC 826): Address Resolution Protocol: Az adatkapcsolati rétegben található. Feladata host vagy router IP címének leképzése MAC címmé. MAC címek nyerhetők ki a ARP_REPLY válaszokból és majd későbbiekben a cache-ből. RARP: Reverse Address Resolution Protocol: Saját IP cím lekérdezése (pl. boot) a saját MAC cím alapján. Miért nincs ARP, RARP az IPv6ban? Mert felváltotta a Neighbor Discovery. Szállítási réteg:
TCP: Transmission Control Protocol (Telnet, Rlogin, FTP, SMTP) → megbízható adattovábbítás (összeköttetés alapú szolgálat) UDP: User Datagram Protocol (TFTP, SNMP, DNS (TCP is)) → összeköttetés-mentes datagram szolgálat Hálózati réteg: IP: Internet Protocol → összeköttetés-mentes datagram szolgálat változó méretű csomagokra → Best effort delivery (a telhető legjobb): változó késleltetés, hiba, adatvesztés → kapcsolódhat hozzá alkalmazói program közvetlenül, de ritka ICMP (Internet Control Message Protocol): Az alapvetően a hálózati réteggel kapcsolatos üzenetek továbbítására Típusok: hibaüzenetek, információk, diagnosztikai üzenetek. Az ICMP hibaüzenetek mindig tartalmazzák annak az IP datagram-nak a fejrészét és első 8 bájtját, ami a hibát okozta. Így a fogadó ICMP modul meghatározhatja a protokollt és a user processzt, amihez a hiba tartozik. IGMP (Internet Group Management protocol): multicasting (többes címzés)-el kapcsolatos üzenetek.
7.b Az Internet címzés és címosztályok IP címosztályok, maszk, subnet, supernet, osztály nélküli címzés (CIDR Classless InterDomain Routing), és a változó alhálózat méretek(VLSM Variable Length Subnet Mask); címek kiosztása, lokális címek és a címfordítás (NAT). Internet címek: 32 bit,4 byte; Pontok közötti decimális alak. Max címszám: 232 = 4 milliárd csomópont. Class A (15 millió); Class B (64K); Class C (250);
Klasszikus címzés összefoglaló: A cím egyértelműen két részre bontható: – az első bitek megmondják, hol a határ, – ugyanakkor merev bit-határok, – broadcast cím egyértelműen számítható. Igény a címzési hierarchia bővítésére: – Intézményi hálózatok fejlődése A subnetting eredménye: A címező jobb kihasználása (pont-pont kapcsolatok 2 biten elférnek; több LAN befér egy IP hálózatba). A cím nem tartalmazza a hálózat-azonosítót. A maszkot is jól kell konfigurálni. (A broadcast cím nem található ki az IP címből). A maszkot is kell továbbítani, de az útvonalválasztás egyszerűsödhet. Változó alhálózat méretek (Variable Length Subnet Mask): Különböző alhálózatok létrehozása (hatékonyabb címfelhasználás). A routing-nak támogatnia kell (a kiterjesztett prefixet (subnet maszkot) is át kell adni; minden router a leghosszabb prefix egyezése elvén továbbítsa a csomagokat; az aggregációhoz a címkiosztásnak követnie kell a topológiai feltételeket). A többszintű hierarchia előnye (alhálózatokat tovább tudunk bontani, aggregáció miatt ez kívülről nem látszik). Változó hosszúságú Ipv4 cím esetén a router a leghosszabb prefix alapján dönti el az útvonalat Az osztály nélküli címzés (Classless Inter-Domain Routing): A maszk rövidebb is lehet, mint a hálózatazonosító. Több hagyományos A,B,C osztály összefogása. Laza bithatárok: /4 … /30. Szükségtelenné válik az osztályok használata. A routing nem az első bitek szerint dönt. A címtér sokkal jobban kihasználható. A CIDR együtt élhet a klasszikus routinggal. A VLSM és a CIDR is támogatja egy A, B, C hálózaton: – flexibilis alhálózat-rendszer kialakítását; – belsejének elrejtését. A CIDR azonban lehetővé teszi több bitszomszédos hálózatok összefogását (supernetting); több szomszédos A, B, C hálózat összevont útvonalválasztási bejegyzését. Címfoglalási szabályok: A globális Interneten minden IP cím egyedi (engedélyeztetni kell). Internettől elszigetelt magánhálózaton tetszőleges kiosztást készíthetünk. Lokális címtartományok (IANA, RFC 1918) definiálása IPv4 esetében: A magánhálózatok kialakításának van rá szükség, és így a globális IP címeket nem kell engedélyeztetnünk. Viszont a későbbi esetleges csatlakozás gondot okozhat. Magánhálózat csatlakoztatása az Internetre: Ha bejegyzett címtartományokat használtunk, nincs gond. A lokális címtartományú magánhálózatot tűzfallal leválasztjuk (se ki, se be), nincs gond, de nem használható az Internet közvetlenül. Lokális címtartományú magánhálózatról bejegyzett címtartományra kívánunk áttérni átszámozás, címfordítás lehetséges.
Címfordítás, NAT routing: Alapötlete: Ha lokális címtartományú magánhálózatra kívánnak áttérni, akkor NAT-ot kell használni. Célja a belső és külső IP címek összerendelése, címfordítási táblázattal. Működése: Egyetlen külső cím esetén: Kicseréli a belső forrás címet a külső címre. Megnézi, hogy az eredeti forrás port szabad-e a külső oldalon. Ha szabad, akkor azt választja. Ha foglalt, akkor a szabad (választható) portok közül választ egyet. Ha nincs szabad port, akkor eldobja a csomagot. Bejegyzi egy táblázatba a fordítást a visszafelé jövő, illetve a további csomagok érdekében. Több külső cím esetén: Ha nincs szabad port, akkor veszi a következő külső címet, és azon keres szabad portot. A NAT transzparens mindazon protokollokra melyek nem használnak IP címeket a csomag belsejében, nem használnak előre megbeszélt, vagy magasabb szinten egyeztetett címet. A NAT amennyiben felismeri (és ismeri) a magasabb szintű protokollokat, úgy a csomag belsejében is elvégezheti a címváltoztatást.
7.c Az IP csomagformátum Az IP csomagformátum főbb mezői és azok funkciói. IP csomag: Verzió: 4 IHL: Header Length ( hossz opciókkal együtt). TOS: Type of Services: 3 bit prioritásra + 4 bit. Total length: az IP datagram teljes mérete bájtokban Identification: a datagram egyedi azonosítója, küldő hoszt állítja be. Flags (3bit): -nem használt. –ha 1, a csaomag nem fregmentálható. - (fregmentálás esetén) 1, ha van még további darab; 0, ha ez az utolsó. Fragment offset (13bit): fregmentáció esetén a data melyik része. Time to Live (8bit): Minden ugrás esetén a router annyival csökkenti, ahány sec-ot állt nála. Ha eléri a 0-át a router eldobja. Protocol: az IP csomagot előállító protokollt azonosítja Header checksum: az IP fejrészre vonatkozó 1 komplemens 16 bites összeg.
TTL szerepe az IPv4 fejrészében: a keret életidejét határozza meg.
7.d Az IP csomagok továbbítása Helyi és távoli kézbesítés, forgalomirányító, enkapszuláció. Az IP csomagok továbbítása: Megvizsgálja a cél IP címet, az „helyi”, vagy „távoli”. A saját subnet maszkkal leválasztja a hálózati címrészt, és összeveti a sajátjával: ha egyezik: helyi, ha nem: távoli. Ha helyi, akkor (Direct Delivery) nézi a cache-ében, van-e hozzá MAC cím. Igen: a MAC szinten elküldi a címzettnek. Nincs: Local Broadcast kezdeményezéssel választ kér, és így megkapja a cél MAC címet. Mindjárt cache-eli, és MAC szinten elküldi a címzettnek. Ha a cél cím „távoli”, akkor (Indirect Delivery) nézi saját forgalomirányító tábláját (route table), van-e speciális út a célhoz, ha van, keresi a cache-ében, ismeri-e az úthoz rendelt router MAC cím. Igen: MAC elküldi annak. Nincs: Local Broadcast kezdeményezéssel választ kér, és így megkapja a router MAC címet. Mindjárt cache-eli, és MAC szinten elküldi neki. Ha nincs speciális út (esetleg nincs is forgalomirányító tábla) a default router-nek küldi: Nézi a cache-ében, van-e a default router-hez MAC cím. Igen: MAC elküldi annak. Nincs: Local Broadcast kezdeményezéssel választ kér, és így megkapja a default router MAC címet. Mindjárt cache-eli, és MAC szinten elküldi neki. Az IP routing: Az útvonalválasztó az eredeti datagram-on a következőket változtatja meg: Dekrementálja a Time-to-Live mezőt (amiből eldönthető, hány sec-ig, vagy ugrásig maradhat meg a datagram). Újraszámítja a checksum-ot. IP routing tábla: Egy router a routing tábláját nézi végig, hogy melyik portjára (melyik interfészére) küldje a datagramot.
A keresési kulcs a cél IP hálózati címe. A kereséshez kell a szubnet maszk is. A csomagtovábbítás (a leghosszabb illeszkedő prefix; hop-by-hop (azaz minden router maga dönt); nem megfelelő router választása esetén ICMP Redirect a küldőnek).
7.e Az UDP datagram és a TCP szegmens felépítése Az UDP datagram fej és a TCP szegmens fej főbb mezői és azok funkciói. UDP: User Datagram Protocol • Egyszerű, • nem megbízható szolgálat. • Minden továbbítandó üzenet 1 UDP datagram (amit egy IP datagam-ként, csomagként továbbítanak)
TCP Transmission Control Protocol • Bonyolultabb, • ÖK alapú (sorrendhelyes), • megbízható (hibamentes), • duplex (kétirányú) szolgálatot biztosít. • Meghatározza az IP felé az optimális csomagméretet • „TCP szegmens”: az IP felé továbbított adategység • „Byte stream service”: ha a kapcsolat felépült, a forrás byte-okat küld, a cél byte-okat fogad folyamatosan (virtuális áramkör byte-okra)
7.f Az IPv6 Az IPv6 címek, IPv6 cím típusok (unicast, multicast, anycast; link local, site local, global scope), azIPv4 és IPv6 keretformátumok összevetése.
IPv6 előnyök: Az IPv6 címek 128 bitesek (könnyű subnet-eket kialakítani; nem kell NAT). Az IPv6 címek nem hoszt/node címek (mint IPv4), hanem „interfész” címek. Egy hosztnak lehet több interfésze (címe). IPv6 címek esetében vannak különböző hatáskörök (scope). Unicast (one-to-one communication), multicast (one-to-may communication), anycast (one-to-nearest communication) is lehet. Ugyanakkor nincs „broadcast”. Új header format. Nagy címhely. Állapotmentes (stateles) és állapot alapú (stateful) automatikus cím konfiguráció. Link-local addresses: A link-local címek a Neighbor Discovery eljáráshoz kellenek és mindig automatikusan konfigurálódnak, még akkor is, ha semmilyen más unicast cím sem létezik. A link-local címek prefix-e mindig FE80::/64 Site-local addresses: A link-local címekkel ellentétben, a site-local címek nem automatikusan konfigurálódnak, hanem vagy állapotmentes (stateless), vagy állapot alapú (stateful) cím konfigurációval kell megadni azokat. A site-local címek esetén az első 48-bit mindig ugyanazzal a FEC0::/48 címmel kezdődik. A fix 48 bitet követi a 16-bites subnet identifier (Subnet ID field)
