Rétegek: Felhasználói Szállítói Adatkapcsolati Hálózati Fizika

Rétegek: ● Felhasználói ● Szállítói ● Adatkapcsolati ● Hálózati ● Fizika Alapsáv és szélessáv ● Alapsáv (baseband) ○ A digitális szignál direkt árammá vagy feszültségváltozássá alakítódik ○ A szignál minden frekvenciával átvitelre kerül ○ Pl. NRZ-vel (feszültség magas = 1, feszültség alacsony = 0) ○ Probléma: Átviteli korlátok ● Szélessáv (broadband) ○ Az adatok egy széles frekvencia-tartományban kerülnek átvitelre ○ Lehetőségek: ■ Az adatokat egy vivőhullámra tehetjük (Amplitúdó moduláció) ■ A vivőhullámot megváltoztathatjuk (Frekvencia / fázis moduláció) ■ Különböző vivőhullámokat egyidejűleg használhatunk fel ■ Ötlet: ○ A közeg ideális Frekvenciáira koncentrálunk ○ Egy sinus-görbét használunk, mint vivőhullámot a szignáloknak ○ Egy sinusgörbe nem tartalmaz információt ○ Az adatátvitelhez a sinusgörbét folyamatosan meg kell változtatni Digitális és Analóg átvitel összehasonlítása ● Digitális átvitel ○ Diszkrét szignálok véges halmaza ○ Pl. feszültség értékek / áramerősség értékek ○ véges halmaza ● Analóg átvitel ○ Szignálok végtelen (folytonos) halmaza ○ Pl. a szignál a feszültségnek vagy az áramerősségnek felel meg a vezetékben ● Digitális szignálok előnyei: ○ Lehetőség van a vételpontosság helyreállítására és az eredeti szignál rekonstruálására ○ Analóg átvitel esetén fellépő hibák önmagukat felerősíthetik Önütemező kódolás - szinkronizáció megoldása: ● Felügyelet nélkül nincs szinkronizáció ● Megoldás: explicit órajel ○ Párhuzamos átvitelt igényel egy külön csatornán ○ Szinkronizáltnak kell lennie az adatokkal ○ Csak rövid átvitel esetén ésszerű

1

●

●

Szinkronizáció kritikus időpontokban ○ Pl. egy szimbólum vagy egy blokk kezdetén ○ Egyébként teljesen szabadon futnak az órák ○ Megbízik abban, hogy az órák rövid ideig szinkron futnak Órajel a szimbólumok kódolásából

Fizikai alapok: 𝜆 ∗ 𝑓 = 𝑐 𝜆 : hullámhossz (méterben) f : frekvencia - oszcillációk száma /sec (Hertz) c : fénysebesség, 𝑐 = 3 ∗ 108 𝑚/𝑠 Keretek (frames) ● A fizikai réteg bitáramát darabokra, u.n. keretekre (frames) osztjuk ○ Szükséges a hibafelügyelethez ○ A keretek az adatkapcsolati réteg csomagjai ● Keretekre-osztás (fragmentálás és a fogadó oldalon defragmentálás) szükséges, ha a hálózati réteg csomagjai nagyobbak, mint a keretek Hibafelügyelet ● Minimálisan megkövetelt szolgáltatás az adatkapcsolati rétegtől ○ Keretek segítségével ● Hibafelismerés: van-e hibásan átvitt bit ● Hibajavítás: bithibák megtisztítása Header és Trailer ● legtöbbször a keret kezdetén használnak egy Header-t a végén pedig egy Trailer-t ● jelzik a keret kezdetét és végét ● kontrollinformációt hordoznak ● Pl. küldő, fogadó, kerettipus, hibafelügyeleti információ ● Speciális “Flag Byte”-ok jelzik a keret kezdetét és végét Byte beszúrás (byte stuffing): ● Ha a „flag-byte” a küldendő adatok között előfordul, akkor mint adatbyte-ot egy másik speciális jellel (Escape) kell jelezni ● Ha a másik speciális jel (Escape) a küldendő adatok között előfordul, azt is. Flag bits és bit beszúrás (bit stuffing) ● flag byte helyett egy bitsorozatot használunk, pl.: 01111110 ● bit beszúrás: ○ Ha a küldő öt 1-esből álló sorozatot küld, automatikusan beszúr a bit-áramba egy 0-t a flag bit-ek kivételével ● A fogadó, ha öt 1-es után egy 0-t kap, törli a 0-t Paritásbit: Odd/Even parity ha az 1-esek száma páros 1-est/0-t adunk hozzá

2

Hamming-távolság: hány helyen különbözik a két bitsorozat // d(x,y)= ... Kód távolsága: A Hamming-távolságok minimuma d(S) = 1 : nincs felismerés, nincs javítás d(S) = 2 : 1 bit hiba felismerhető, de nem javítható d(S) = 3 : 1 bit hiba felismerhető és javítható d hiba felismeréséhez d+1 távolság szükséges d hiba javításához 2d+1 távolság szükséges Kód rátája: R_S = log|S| / n // |S|: kódok dbszáma, n: hosszuk Kód delta_S távolsága: delta_S = d(S)/n

CRC

● Hatékony hibafelismerés ● Polinom aritmetikán alapul a 2-es maradékosztályok (Z2) testén ○ A jelsorozatokat polinomnak tekintjük ○ A bitek a polinom együtthatói G(x) generátor polinom, foka g Átküldésre került az ereti polinom g-vel eltoltja + a maradék A fogadó: fogadott polinom/generátor polinom Ha 0, akkor jó Ha nem 0, akkor hibás A hibát akkor nem ismerjük fel, ha a hibapolinom többszöröse a generátor polinomnak Simplex protokoll: ● csomagok küldése csak egyirányú ● A fogadó nyugtázza a küldő csomagjait (ehhez fél-duplex fizikai csatorna elegendő) ○ A küldő vár egy bizonyos ideig a nyugtára (acknowledgment -- ACK) ○ Ha az idő lejárt, újraküldi a csomagot ● Ha elveszik egy nyugta, akkor kap egy duplikátumot a fogadó (nem tud különbséget tenni) Alternáló bit protokoll: (duplikátumokra való megoldás) ● 0,1-et küld felváltva a küldő, így megállapítható ha valamit újraküld Hatékonyság: T_packet / (T_packet + d + T_ack + d) A hatékonyság javítható a csomagok folyamatos küldésével. Nem mind használható fel egyszerre.

3

Csúszó ablak: A sorozatszámot megnöveljük n bitre, azaz 2^n sorozatszámra Küldő-ablak: sorozatszámok olyan sorozata, amely 1 adott időben elküldhetők Fogadó-ablak: sorozatszámok olyan sorozata, amely 1 adott időben elfogadhatók Az ablakok mérete lehet fix vagy időben dinamikusan változtatható Az ablakméret folyamfelügyeletet tesz lehetővé

● A működés feltételei: ○ Az adatátkapcsolati rétegnek minden frame-et helyesen és helyes sorrendben kell átvinni ○ A küldő hatékonyság növeléséhez pipeline technikát használva küldi a csomagokat ● Csomagvesztés esetén: Ha a fogadó-ablakméret = 1, a következő csomagokat mind eldobja a fogadó Go-back-N: ● Ha a fogadó-ablakméret = 1, akkor a fogadó nem tudja feldolgozni azokat a frame-eket, melyek egy elveszett (vagy hibás) frame-et követnek ○ Nem tudja azokat nyugtázni, mert csak egy nyugtát küld az utolsó helyesen fogadott csomagról ● A küldőnél lejár a várakozási idő a nyugtára: “Timeout” ○ Minden frame-et, amit az utolsó nyugtázott frame után küldött, újra kell küldeni ○ “Go-back-N” Frames! Szelektív ismétlés:  Tegyük fel, hogy a fogadó tudja pufferelni a csomagokat, amelyek a közbenső időben érkeztek  A fogadó értesíti a küldőt a hiányzó csomagról negatív nyugtával  A küldő elküldi a hiányzó frame-eket szelektíven (selective repeat)  Amikor a hiányzó frame megérkezik, minden frame-et (a helyes sorrendben) átad a fogadó a hálózati rétegnek Hátizsák technika (általánosan használt):  A nyugtát az ellentétes irányba küldött adat-frame fejlécébe tesszük (piggybacking) MAC (Medium Access Control -- MAC): Statikus multiplexálás  Dinamikus csatornafoglalás o Kollúzió alapú protokollok o Verseny-mentes protokollok (contention-free) o Protokollok korlátozott versennyel (limited contention)  Az Ethernet példája  

Adott egy link (erőforrás / resource) A kommunikációs kapcsolatokhoz fix időegységeket (TDM) / frekvenciasávot (FDM) / csatornákat rendelünk

4

 

Ez akkor jó megoldás, ha o fix adatráták vannak és a o sávszélességet annak megfelelően osztjuk csatornákra A források a vezetéket jól kihasználják

Löketszerűen érkező adatok (bursty traffic):  elegendően nagy kapacitás (pazarlás, mert átlagos ráta nem használja ki a csatornát)  pufferek Dinamikus csatorna foglalás – MAC:  Statikus multiplexálás nem megfelelő löketszerű adatforgalom kezelésére  A csatorna/link/erőforrás hozzárendelése ahhoz a forráshoz aki éppen adatot akar küldeni o Dinamikus csatorna foglalás (channel allocation) o az erőforrás fix részének hozzárendelése helyett ALOHA: egy csomagátvitel akkor sikeres, ha két egységnyi időben nincs másik csomagátviteli kísérlet CSMA:

● 1-persistent CSMA ○ Ha a vivő médium nem szabad, várjunk, amíg szabad lesz ○ Akkor azonnal kezdjük meg az átvitelt ○ Ha kollúziót tapasztalunk, akkor várjunk véletlenül választott ideig és ismételjük meg elölről ● non-persistent CSMA ○ Ha a csatorna szabad, kezdjük meg az átvitelt ○ Ha a csatorna nem szabad, várjunk véletlenül választott ideig, utána ellenőrizzük újra, hogy a csatorna szabad-e, és így tovább ○ A csatornát nem ellenőrizzük folyamatosan ■ kevésbé mohó ● p-persistent CSMA 1. Ha a csatorna szabad, ● p valószínűséggel küldjük a csomagot ○ ha kollíziót tapasztalunk, várjunk véletlen ideig ○ kezdjük újra az 1. pontban ● egyébként (1-p valószínűséggel) ○ várjunk a következő slot-ra ○ folytassuk az 1. pontban 2. Ha a csatorna foglalt ● figyeljük folyamatosan, amíg nem lesz szabad, azután folytassuk az 1. pontban CSMA/CD - Kollízió felismerés ● A fizikai rétegtől függően, a kollízió felismerhető! 5

○ Szükséges: A küldőnek képesnek kell lenni „hallgatni” a médiumot miközben küld

● ● ● ● ●

és összehasonlítani amit küld és amit „hall” ○ Ha különbözik: Kollízió Várunk egy véletlen ideig! Randomizálás “deszinkronizálja” a médium hozzáférést, és ezzel segít elkerülni a kollíziót Valamennyi kihasználatlan időt eredményez Váltakozva verseny- és átviteli-periódusok Periódusai: ○ Üres ○ Verseny ○ Átviteli

Binary Exponential Backoff: ● Növeljük k-t a kollízió után: sok lehetőség van (k: várakozási idő) ● Általánosan használt: duplázzuk meg k-t De csak egy korlátig, mondjuk, 1024 slot – kezdjük k=2-vel ● Csökkentsük k-t, ha elegendően sok frame kollízió mentesen átvitelre került Tehát az algoritmus: ● a várakozási időt dinamikusan a csatornát használó állomások számához igazítja ● gondoskodik a csatorna egyenletes kihasználásáról MAC - Versenymentes protokollok:  Statikus (idő-) multiplexálás (TDMA) o Minden állomáshoz egy fix idő-slotot rendelünk egy ismétlődő idő-séma szerint  Bit-map protokoll o A TDMA probémája o Ha az állomás nem küld semmit, az idő-slotja kihasználatlan o Foglalási rendszer: Bit-map protocol o Rövid statikus foglalás-slotok, melyek jelzik az átvitel kívánságot o Minden állomásnak hallani kell o Tulajdonságok alacsony terhelés esetén  Ha nincs csomagküldés, akkor az (üres) verseny-slot ismétlődik  Egy állomás, ha küldeni akar, meg kell várnia a verseny-slotokat  Viszonylag nagy késés (delay)  Tulajdonságok nagy terhelés esetén  A csatornát az adatcsomagok dominálják  Az adatcsomagok nagyobbak mint a verseny-slotok  Az overhead elhanyagolható  Jó és stabil átvitel (throughput) MAC – Protokollok korlátozott versennyel: Adaptív fabejárás protokoll

6

Backward learning (bridge-ekben):  A honnan tudja, hogy hol van B? o Nem tudja: o nem számít – egyszerűen továbbítja az ismeretlen című csomagot mindenfele o Azon hálózat kivételével, ahonnan érkezett o Az algoritmus:  elárasztás (flood) ha a cím ismeretlen;  dobja el ha tudja, hogy nem szükséges;  továbbítsa specifikusan, ha a cél címe ismert o Flood korlátozása:  Megjegyezzük mely frame-eket továbbítottunk már  Előfeltétel: a frame-ek egyértelműen azonosíthatók o Másik megoldás: Feszítőfák  A csomagok ciklusai csak akkor jönnek létre, ha a gráf, amit a bridge-ek definiálnak kört tartalmaz.  LAN-ok és bridge-ek csomópontok, ezek vannak összekötve élekkel  Alakítsuk körmentessé FTP: File Transfer Protocol  Távol lévő végrendszertől/végrendszerre szállít file-t  Kliens/szerver modell  Kliens: az az oldal, amely a file transzfert kezdeményezi  Szerver: távoli végrendszer  ftp: RFC 959  ftp server: port 21  TCP-t adja meg a szállító protokollként  2 párhuzamos kapcsolatot alakít ki o kontroll: parancsok és válaszok cseréléséhez o Adat: file szerverhez/szervertől  Szükséges szolgáltatások a szállítói rétegtől: ~Adatvesztés, Időzítés, Sávszélesség UDP és TCP socketeken keresztül / hasonló a file I/O-hoz UDP:  Egyszerű socket üzenetek küldése/fogadása  Nincs garancia a megérkezésükre  Nem szükségszerűen sorrendtartó  Datagram – független csomagok  Minden csomagot meg kell címezni  Például: Multimédia, VOIP TCP:  Megbízható – a megérkezés garantált  Byte folyam – sorrendtartó  Kapcsolat-orientált egy socket kapcsolatonként  A kapcsolat felépítése után adatátvitel  Például: Web, Email, Telnet

7

Routing-tábla  Tartalmazza a cél címekhez a következő számítógép (gateway) címek a hozzá a hozzá vezető úton  A cél lehet egy számítógép vagy egy sub-net  Ezen kívül tartalmaz egy default gateway-t Packet forwarding  IP csomag (datagram) tartalmazza a küldő IP címét és a cél IP címét  Amikor egy IP csomag megérkezik egy routerhez: o Ha a cél IP = saját IP, akkor a csomagot kiszállítja o Ha a cél IP = a routing táblában van, akkor továbbítja a megadott gateway-hez o Ha a cél IP-subnet a routing táblában van, továbbítja a megadott gateway-hez o Egyébként továbbítja a default gateway-nek  IP csomag tartalma: o TTL: Time-to-Live – hopok száma o Küldő IP-címe o Címzett IP-címe  Csomag kezelése a routerben: o TTL := TTL-1 o Ha TTL != 0, akkor packet forwarding a routing-tábla alapján o Ha TTL = 0, akkor töröljük  Ha a csomag nem ICMP (Internet Control Message Protocol), akkor küldjök az ICMP-csomagot: TTL equals 0 during transit), ahol:  Cél IP cím = eredeti küldő IP címe  Küldő IP cím = aktuális IP cím  Statikus és dinamikus routing o Forwarding: csomagok továbbítása o Routing: Útvonalak meghatározása: a routing-tábla felépítése (route detection) o Statikus routing:  A routing-táblát manuális építjük fel  Kis és statikus LAN-ok esetén értelmes o Dinamikus routing:  A routing-tábla félpítése és aktualizálása automatizált  Centralizált algoritmus: pl. Link State  Egy/minden állomásnak ismernie kell minden információt  Decentralizált algoritmus: pl. Distance Vector  minden routeren lokálisan dolgozik, lokális információkkal o Legrövidebb utak fája (8. ea példák)  Dijkstra algoritmus  Bellman-Ford  Distance Vector Routing Protocol  Count-to-Infinity probléma: o Új kapcsolat létrejöttekor gyorsan aktualizálódnak a táblák o Ha kiesik egy kapcsolat:  a szomszédok felváltva növelik a távolságokat  ciklusok keletkeznek  Megakadályozásához: o Split horizon: olyan sorokat nem küld vissza a csomópont annak a szomszédjának, amit tőle „tanult”

8

Split horizon with poison reverse: negatív információt küld vissza o Mindkét módszer csak 2 csomópontból álló ciklus kerül el  Link State Protocol  Minden Link State Router o tárolja a hálózat topológiáját o egy nem-elosztott legrövidebb utak algoritmust használ  A routerek Link State Packets (LSP) által cserélnek információkat  LSP tartalmazza o az LSP-t létrehozó r router IP címét o a költségét r minden direkt szomszédjához o sorozatszámot (SEQNO) o TTL (time to live) mezőt  Megbízható elárasztás (Reliable Flooding) o minden csomópont aktuális LSP-jét használjuk o továbbítjuk az LSP-ket minden aktuális csomóponthoz azon csomópont kivételével, amely az LSP-t felénk továbbította o a továbbításnál TTL := TTL-1 o periodikusan létrehozunk egy új saját LSP-t növekvő SEQNO-val Autonomous Systems (AS), Intra-AS és Inter-AS routing o Intra-AS routing: pl.: RIP, OSPF, IGRP o Inter-AS routing:  kapcsolódási pont: átjáró – gateway  decentralizált routing  pl.: BGP, EGP Intra-AS Routing: o RIP – Routing Information Protocol  Distance Vector alg: távolság metrika = hop szám  A távolság vektorokat minden router minden 30s Response-üzenettel (advertisement) adja át a szomszédjának  A szomszédok is advertisement-et küldenek ha így a táblájuk megváltozott  Minden advertisement-ben célhálózathoz hirdetik meg az utakat UDP-vel  Ha 180s-ig nem kap a router advertisement-et egy szomszédjától:  az utakat a szomszédon keresztül érvényteleníti  új advertisement-eket küld a szomszédainak  count-to-infinity (ping-pong) elkerülése végett split horizon with poison reverse-t használ  végtelen távolság = 16 hop o OSPF – Open Shortest Path First  Link-State algoritmus  LS csomagok terjesztése  a topológiát minden csomópontban tárolja  az útvonalakat Dijkstra algoritmusával számítja ki  OSPF-advertisement  TCP-vel növeli a biztonságot  az egész AS-be elárasztja  több egyenlő költségű útvonal lehetséges o





9

o

o

o

Hierarchikus OSPF  Két hierarchia szerint: lokális és gerinchálózat (backbone) szerint  Lokális: Link-State advertisement  Minden csomópont csak az irányt számítja ki más lokális területek hálózataihoz  Local Area Border Router: saját lokális területeik távolságait foglalják össze  Backbone Routers: OSPF protokollt használnak gerinchálózatra korlátozva  Boundary Routers: Más AS-ekkel kapcsolnak össze IGRP – Interior Gateway Routing Protocol  Distance Vector Protocol, mint a RIP  Holddown time  Split horizon  Poison reverse  Különböző költség metrikákat támogat  Delay, Bandwith, Reliability, stb.  TCP-t használ a routing információk kicseréléséhez BGP – Border Gateway Protocol  Path Vector Protocol  Hasonló a Distance Vector protokollhoz  minden border gateway meghirdeti minden szomszédjának (peers) az egész utat (AS-ek sorozata) a célig (advertisement)  TCP-t használ

Broadcast és Multicast  Broadcast routing o Egy csomagot (másolatot) minden más csomópontnak el kell küldeni o Megoldások:  A hálózat elárasztása  Jobb: Minimális feszítőfa  Multicast Routing o az adatokat egy küldőtől egyidejűleg több fogadóhoz kell eljuttatni  pl: Streaming, Telefon-, videokonferencia o IP D címosztály:  Egy multicast-csoport minden tagja ugyanazt a címet használja o Megoldások:  Optimális Minimális Steiner Fa Probléma  NP-teljes  Más (nem opt.) fát konstruálni o Naív/Rossz megoldás:  a küldő külön másolatot küld minden fogadónak  nem hatékony o Multicast fa segítségével:  Minden linken csak egyszer továbbítódik egy csomag IPv4 címek:  Osztály alapú címzés (1993-ig) o 5 fix osztály, melyek mindegyikét egy prefix azonosítja o A,B,C osztály: fix hosszúságú prefix és host-ID

10





o D: multicast osztály o E: lefoglalt Problémák: o A és B osztályú hálózatok sok állomást tartalmazhatnak, ami a routerek számára nehezen kezelhető  subnetting o Elfogynak a címek Subnetting o Bevezetünk alhálózatokat, melyeket az IP host részéről leválaszott bitek azonosítanak (a hálózaton kívülről nem látható) o A lokális routernek tudnia kell, hogy hol van ez a leválasztás:  ez a subnet mask által adható meg

IP cím MAC címre való fordítása: ARP  Broadcast a LAN-ban, lekérdezni azt, hogy melyik állomáshoz tartozik az adott IP cím  Csak az a csomópont válaszol, amelyhez az IP tartozik, a MAC címmel  A router akkor a csomagot oda ki tudja szállítani IPv6 címek:  Autokonfiguráció: DHCP, Mobile IP, átszámozás  Új szolgáltatások o Biztonság (IPsec) o Quality of Service (QoS) o Multicast  Egyszerűsítés a routernek o nincs IP checksum o nem particionálja az IP csomagokat Címek:  DHCP (Dynamic Host Configuraion Protocol) o Kézi hozzárendelés (hozzákötni a MAC címhez, pl: szerverek) o Automatikus hozzárendelés (fix hozzárendelés, de nem előre beállított) o Dinamikus hozzárendelés (újrakiosztás lehetséges)  Új számítógép kapcsolódása konfiguráció nélkül o A számítógép kér egy IP címet a DHCP szervertől o Az dinamikusan hozzárendel egy IP címet a számítógéphez o Miután a számítógép elhagyja a hálózatot, az IP címeket „frissíteni” kell IPsec – Security Architecture for the IP  Biztonsági protokollok o Authentication Header (AH)  Biztosítja az adat küldőjének azonosítását  kapcsolatmentes adatintegritást  védelmet Replay-támadásokkal szemben o Encapsulating Security Payload (ESP)  IP fejléc titkosítás nélkül, adatok titkosítva, azonosítással  Kulcs management: o IKE (Internet Key Exchange) Protokoll o Egy Security Association létrehozása  IPsec transport üzemmódban (direkt kapcsolatokhoz): o IPsec fejléc az IP fejléc és az adatok között van  IPsec tunnel üzemmódban (ha van legalább egy IPsec nélküli router közötte)

11

 

o Az egész IP csomagot titkosítja o Csak a kapcsolat két végén kell, h legyen IPsec IPsec része az IPv6-nak porting IPv4-re létezik

IP címek és a Domain Name System (DNS)  IP címek o Minden hálózati interface egy hálózatban világszerte egyértelmű IP címmel rendelkezik o 32 bit, amely a Net-ID és Host-ID-ra oszlik o Net-ID: az Internet Network Information Center adja ki o Host-ID: a helyi hálózat adminisztrátora adja ki o Domain Name System (DNS)  az IP-címek nehezen kezelhetők  jobbak a természetes szavak az IP-címekhez  A DNS lefordítja ezeket a címeket IP-címekre (és fordítva)  elosztott adatbázis  Minden domain-en belül, a domain tulajdonosa felügyeli a névteret a domain alatt  DNS Resource Record o Erőforrás bejegyzés (Resource Record: RR): a domainekről, egyes hostokról adnak információt o RR formátum:  name: pl domain név vagy host név  TTL: time to live – érvényesség mp-ben  class: internet esetén „IN”  type: ~~  value: IP cím  példa: pandora.inf.elte.hu 43200 IN A 157.181.161.52  DNS Name Server o A névtér zónákra van osztva o Minden zónához tartozik egy Authoritativ Server  Egy Primary Name Server  Egy vagy több Secondary Name Server o Minden Name server ismeri  a saját zónáját  a gyermek zónák Name Server-eit  Servers/Resolvers o Minden végrendszernek van egy „feloldója” (resolver)  Tipikusan egy könyvtár, amit felhasználásokhoz kapcsolhatunk  Lokális name-server-ek kézzel konfigurálva o Name servers  tipikusan egy zónáért felelősek  lokális szerverek  A lokális végrendszereknek végeznek lekérdezéseket távoli végrendszer nevekről  megválaszolják a lekérdezéseket a lokális zónáról  Root Name Servers o root zónáért felelősek

12

a lokális szerverek kapcsolatba lépnek a root szerverrel, ha ők nem tudnak megválaszolni egy lekérdezést DNS lekérdezések o Iteratív lekérdezés  A szerver annyi információt ad, amennyit tud  a root/távoli szerverek így dolgoznak o Rekurzív lekérdezés  a lokális szerverek tipikusan így dolgoznak Feloldási folyamat: o felhasználás: gethostbyname() o végrendszer lekérdezi a lokális name servert (S1) o S1 lekérdezi a root szervert (S2) a www.xy.z.hu névvel o S2 válaszol a z.hu-hoz tartozó NS bejegyzéssel o S1 lekérdezi S3-at a www.xy.z.hu névvel (additional information alapján) o S3 válaszol a www.xy.z.hu-hoz tartozó bejegyzéssel Caching o Gyors válasz ismételt lekérdezés esetén o DNS negatív lekérdezések: ne kelljen ismételni a kudarcot  pl. elgépelés o a cache-ben tárolt adatok érvényessége egy idő után lejár (TTL) Megbízhatóság o DNS szerverek replikáltak  a name service működik ha egy replika működik  a lekérdezések kiegyensúlyozottak a replikák között (load balancing) o UDP-thasznál  timeout esetén alternatív szerver  exponential backoff ha visszatér ugyanahhoz a szerverhez  ugyanaz az azonosító minden szerverhez Reverse name lookup o 157.181.161.9 o lekérdezés: 9.161.181.157.in-addr.arpa o root -> arpa -> in-addr -> 157 -> 181 -> 161 -> 9 o











A szállítói réteg szolgáltatásai  Kapcsolat nélküli vagy kapcsolatorientált  Megbízható vagy nem megbízható (reliable/unreliable) o „best effort” vagy „quality of service” o Hibafelügyelet  Torlódás felügyelet vagy torlódás felügyelet nélkül  Lehetőség több végpontra egy végrendszeren (Demultiplexálás)  Több interakciós modell támogatása Multiplexálás a szállítói rétegben  A hálózati réteg az adatokat kontroll nélkül továbbítja a szállítói rétegnek  A szállítói rétegnek az adatokat különböző felhasználásokhoz kell hozzárendelni: o Web, Mail, FTP, ssh, stb. o TCP/UDP – portszám alapján o pl. 80 : web-szerver

13

Szállítói réteg (transport layer)  TCP (transmission control protocol) o Megbízható adatolyamot hoz létre 2 végpont között o A felhasználói réteg adatáramát csomagokra osztja o A másik oldal a csomagok fogadásáról nyugtákat küld (Ack)  UDP (user datagram protocol) o Egyszerű, nem megbízható szolgáltatás csomagok küldésére o Az inputot egy datagrammá alakítja o A felhasználói réteg határozza meg a csomag méretét  A csomagokat a hálózati réteg küldi  Nincs routing: végpont-végpont protokollok TCP-fejléc  Küldő-Port + Cél-Port-Nr.  Sorszám  Nyugta szám  Checksum  Fejléchossz  FLAGS o URG: sürgős o ACK : nyugta o PSH: Push – gyors adattovábbítás a felhaszn rétegnek o RST: Reset – válasz a hiba esetén (connection reset) o SYN: Synchronize o FIN: Finished TCP 

Kapcsolatorientált megbízható szolgáltatás o Két résztvevő: Egy résztvevő socket által azonosított: IP-cím és port o egyértelműen azonosított egy socketpár által o nincs broadcast és multicast o kapcsolatfelépítés és lezárás szükséges o amíg egy kapcsolat nincs lezárva, addig aktív  Megbízható o Minden adatcsomag megérkezését nyugtázza (ack) o A nem nyugtázott csomagokat újraküldi o TCP számozza a csomagokat és sorba rendezi a fogadónál o törli a duplikátumokat  Szolgáltatás Bidirekcionális byte-folyamokhoz  A tartalom nem interpretálódik  Átviteli közeg hatékony használata Kapcsolatfelépítés  rendszerint Client-Server kapcsolat o Felépítés 3 TCP-csomaggal (syn-> majd syn <- ack <- majd ack->) o az első SYN-szegmensben az MSS (maximum size segment) is átvitelre kerül Kapcsolat lezárása  Félig lezárás o küldő jelzi a kapcsolat befejezését FIN-szegmensben és vár a nyugtájára o Két félig lezárás zárja le a TCP-kapcsolatot

14

Nyugták  hátizsák technika – piggybacking o a nyugták az ellenkező irány adatszegmensein „utaznak”  Egy nyugta több adatszegmenst is nyugtázhat o Ha nincs küldeni való adat, késlelteti az ACK-okat Exponenciális visszavétel (exponential backoff)  Retransmission Timeout (RTO) o időköz szabályzása a küldés és duplikátum újraküldése között, ha egy nyugta kimarad o Nyugta nem kerül nyugtázásra, ha:  Ha a nyugta több időt vesz igénybe, mint az átlagos RTT (round time trip)  Csak későn jön a nyugta o Küldő:  vár az RTO-nak megfelelő ideig  Ha nem érkezett nyugta, újraküldi a csomagok és növeli RTO <- 2RTO  RTO újraszámolása, ha a csomagok nyugtázódnak TCP – Nagle algoritmusa  Kis csomagok nem kerülnek addig küldésre, amíg a nyugták hiányoznak o egy csomag kicsi, ha az adathossz < MSS  Ha a korábban küldött csomag nyugtája megérkezik, küldi a következőt  Tulajdonsága: Önmagát ütemező: Gyors kapcsolat = sok kis csomag Csúszó Ablakok (sliding windows)  Adatráta szabályozása ablak segítségével o A fogadó meghatározza az ablak méretét (wnd) az ACK-szegmensek TCP fejlécében o Ha a fogadó puffere tele van, akkor wnd=0 –t küld o Máskülönben a fogadó wnd>0 –t küld  A küldőnek be kell tartani: az elküldött nem nyugtázott adatcsomagok száma <= ablak mérete Slow Start (Lassú start)  A küldőnek nem szabad a fogadó által felajánlott ablakméretet azonnal kihasználni  Második ablak: congestion-ablak o a küldő választja o az ablak amiben küld: min{wnd,cwnd} o kezdetben: cwnd := MSS o minden csomagnál a kapott nyugta után nő: cwnd <- cwnd + MSS o Addig amíg egyszer egy nyugta kimarad Fast Retransmit és Fast Recovery  TCP Tahoe o Ha csak egy csomag veszik el, akkor  a csomag újraküldi + a fennmaradó ablakot  egyidejű slow start o Fast retransmit  Ha ugyanazon csomaghoz 3 nyugta-duplikátum (azaz 4 azonos nyugta) érkezik – triple duplicate ACK

15

 

újraküldi az elveszett csomagot, egyidejű slow start

TCP Reno o Fast retransmit után:  ssthresh := max (mint(wnd,cwnd)/2,2MSS)  cwnd := ssthreash + 3 MSS o Fast recovery a fast retransmit után  minden további nyugta után növeli a rátát: cwnd := cwnd + MSS o Congestion avoidance: amikor új adat nyugtája megérkezik (újraküldés ack-ja): cwnd := ssthresh

AIMD  kapcsolat felépítés: x := 1  csomagvesztésnél MD: x := x/2  nyugtázott szegmensnél AI: x:=x+1 AIMD – additive increase multiplicative decrease Fairness és hatékonyság  Az átvitel maximális, ha a terhelés a hálózat kapacitását majdnem eléri  Ha a terhelés tovább nő, túlcsordulnak a pufferek, csomagok vesznek el, újra kell küldeni, nő a válaszidő (ez a torlódás a congestion)  Maximális terhelés helyett ajánlatos a hálózati terhelést a könyök közelében beállítani. o Ekkor a válaszidő lassan emelkedik, míg az adatátvitel már a max közelében van  Torlódáselkerülési stratégia: o a hálózat terhelését a könyök közelében tartja: hatékonyság o minden résztvevőt egyforma rátával szolgálunk ki: fairness TCP összefoglalás:  megbízható byte-folyamot hoz létre: hibafelügyelet – go-back-N által  congestion control o ablak alapú o aimd, slow start, congestion threshhold o folyamfelügyelet window által o kapcsolatfelépítés o nagle algoritmusa TCP fairness & TCP friendliness  dinamikusan reagál a rendelkezésre álló sávszélességre  sávszélesség fair felosztása: n TCP-kapcsolat esetén mind 1/n részt kap  TCP más protokollal o reakció más szállítói protokollok terhelésétől függ  pl: udp-ben nincs congestion control o más protokollok mindenkor felhasználhatók o UDP és más protokoll el tudja nyomni a TCP kapcsolatokat  A szállítói protokolloknak TCP-kompatibilisnek kell lenni UDP  nem megbízható kapcsolat nélküli szállítói réteg protokoll csomagoknak  fő funkció: hálózati réteg csomagjainak demultiplexálása  egy funkció: chechsum: UDP header + data

16

Biztonság Fenyegetés, támadás:  Egy számítógéphálózat fenyegetése minden olyan lehetséges esemény vagy akciók sorozata, amely a biztonsági célok megsértéséhez vezet  A támadás a fenyegetés realizálása Biztonsági célok:  Bizalmasság  Adatintegritás (adatok megváltozása kideríthető legyen)  Felelős hozzárendelhetősége (minden tetthez hozzárendelhető legyen az okozó)  Rendelkezésre állás  Kontrollált hozzáférés (csak autorizált felhasználók érjék el) A kommunikációs biztonság terminológiája  Biztonsági szolgáltatás o Szolgáltatás, mely egy biztonsági tulajdonságot kíván biztosítani o Lehet kryptografikus protokollal vagy anélkül realizálni  Kryptografikus algoritmus o matematikai transzformáció  Kryptografikus protokoll o lépések és kicserélendő üzenetek sora egy biztonsági cél eléréséhez Szimmetrikus titkosítási módszerek: Kryptografikus hash-függvények:  pl.: SHA-1, SHA-2, MD5  egy h hash függvényegy szöveget képez le fix hosszúságú kódra, úgy, hogy o h(text) = kód o és nincs olyan szöveg melyre: h(tex1) = h(tex2) és tex1 != tex2 Aszimmetrikus titkosítás módszerek:  pl. RSA  privat kulcs, csak a fogadó ismeri  public kulcs, minden résztvevő ismeri o egy fv állítja elő keygen(privat) = public  titkosító fv f és visszakódoló fv g o mindenki ismeri  titkosítás o f(public,text) = code o minden résztvevő ki tudja számítani  visszakódolás o g(privat,code) = text o csak a fogadó tudja kiszámítani Elektronikus aláírás:  Más néven digitális szignatúra o Az aláírónak van egy (titkos) privát kulcsa o A dokumentumot privát kulcs felhasználásával írja alá és a nyilvános kulccsal verifikálható, hogy az aláírás tőle származik o a nyilvános kulcs mindenki számára ismert  Példa: o text: üzenet o az aláíró:  kiszámítja h(text) értékét h kryptografikus hash fv-nyel

17

nyilvánosságra hozza text és signature = g(privat,h(text)) értékét, ahol g az aszimmetrikus visszakódoló fv o Az aláírást ellenőrző:  kiszámítja h(text) értékét  megvizsgálja, h f(public,signature) = h(text), ahol f az aszimmetrikus titkosító fv Internet tűzalak (firewalls)  Egy hálózati tűzfal o A hozzférést az Internetről egy biztosított hálózatra korlátozza o Korlátozza a belépést a hálózatba egy gondosan ellenőrzött pontra o Véd, hogy a támadók ne jussanak más védelmi mechanizmusok közelébe o Korlátozza a kilépést egy gondosan ellenőrzött pontra  Általában egy hálózati tűzfal egy olyan pontra van telepítve, ahol a védett (al)hálózat egy kevésbé megbízható hálózathoz kapcsolódik  Típusai: o Host-Firewall  pl. Personal Firewall  Felügyeli a számítógép teljes adatforgalmát  Védelem külső és belső támadásoktól o Hálózat-Firewall  megkülönböztet:  Külső hálózatot (internet: ellenséges)  Belső hálózatot (LAN: megbízható)  Demilitarizált zónát (külső hálózatról elérhető szerver)  Módszerek: o Csomagszűrő  Portok vagy IP címek letiltása o Tartalomszűrő  SPAM-Mailek, vírusok, activeX vagy javaScript kiszűrése HTML oldalakból o Proxy  Speciális számítógép, amelyen a kérések és válaszok keresztül vannak irányítva  Transzparent Host-ok  A kommunikáció és a lehetséges támadások elvezetése biztosított számítógépekre o NAT, PAT  Network Address Translation o Bástya Host  Egy olyan számítógép a periférián, ami különös veszélynek van kitéve, ezért különösen védett  Dual-homed host: közönséges számítógép két interfésszel (2 hálózatot köt össze)  Perimeter Network: Egy részhálózat, amely a védett és védetlen zóna között egy további réteget ad o Szinonima: demilitarizált zóna (DMZ) 

NAT és PAT  NAT (Network Address Translation)  Basic NAT (Static NAT) o Minden belső IP cím egy külsővel helyettesítődik

18

 





Hiding NAT = PAT (Port Address Translation) = NAPT ( Network Address Port Translation) o A socket-pár (IP-cím és Port-szám) átszámítódik Módszerek o A különböző lokális számítógépeket a portokban kódoljuk o Ezeket a WAN-hoz csatlakozó router megfelelően átszámítja o Kimenő csomagoknál (melyeknek a célja a LAN-IP-cím), a kódolt Port alapján a lokális számítógép és a hozzátartozó Port egy táblázat segítségével számítható vissza Előnyök o A lokális hálózat számítógépei direkt nem elérhetők o Megoldja/enyhíti az IPv4 címek szűkösségének a problémáját o lokális számítógépek nem szolgálhatnak szerverként DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) hasonló előnyöket biztosít

Tűzfal architechtúra  egy standard workstation amely két hálózati interfésszel és szűrő szoftverrel rendelkezik  vagy spec. szűrésre képes router Screened Host  A csomagszűrő o csak az Internet és a screened host között és a o screened host és a védett hálózat között enged meg forgalmat  A screened host bástya-hostként működik, képes önmaga támadást elhárítani Screened subnet  perimeter hálózat 2 csomagszűrő között  a belső csomagszűrő védi a belső hálózatot, ha a bástya-hostnak nehézségei támadnak o Egy hackelt bástya-host így nem tudja a belső hálózati forgalmat kikémlelni  perimeter hálózatok különösen alkalmasak nyilvános szolgáltatások rendelkezésére bocsátására; pl. FTP, vagy WWW-szerver Tűzfal – csomagszűrő  Alap csomagszűrés lehetővé teszi az adatátvitel ellenőrzését a köv. alapján: o Source IP address o Destination IP address o Transport protocol o Source/destination application port  csomagszűrés o tunnel algoritmusok nem ismerhetők fel o lehetséges betörni más kapcsolatok által is  pl. laptop, GSM, memory stick Felhasználói réteg: példák felhasználói rétegre: e-mail, www, content delivery networks, peer-to-peer networks, forgalom az interneten Email:  Komponensei: o user agents o message transfer agents  szolgáltatások o kompozíció, küldés, értesítés, megjelenítés, rendelkezés  további szolgáltatások 19



  

o továbbküldés, auto-válasz, szabadság-funkciók Struktúra o Boríték – a szállításhoz szükséges információ, az MTA használja o Tartalom  Fejléc – a kontroll információ az UA-nak  Törzs – a valódi tartalom SMTP : Simple Mail Transfer Protocol POP: Post Office Protocol IMAP: Internet Message Access Protocol

World Wide Web  Client-Server-Architechtúra o Web-Server web-oldalakat bocsát rendelkezésre o Formátum: Hypertext Markup Language (HTML) o Web-Browser oldalakat kérdez le a web-servertől o Server és browser Hypertext Transfer Protocol (HTTP) által kommunikálnak egymással Szerver-Farm  A szerver oldal teljesítményének növeléséhez több szerver dolgozik  Front end o fogadja a lekérdezéseket o továbbítja a lekérdezéseket egy különálló csomóponthoz további feldolgozásra Web-Serverek és adatbázisok  Web-Serverek nem csak statikus web-oldalakat bocsátanak rendelkezésre o weboldalakat automatikusan is létre lehet hozni o ehhez egy adatbázisból kérdeznek le adatokat o ez az adatbázis nem szükségszerűen statikus, megváltoztatható lehet  probléma: konzisztencia  megoldás: web-szolgáltatás és adatbázis egy 3-adfokú architechtúrája Web-Cache  Helye: o a kliens oldalon o a lokális hálózatban o az internet-service-providernél  Kérdések: o adatok elhelyezése, nagysága, aktuálitása o érvénytelenítés timeout-tal WWW terhelés kiegyensúlyozás (load balancing)  web-szörfözéskor tipikusan o web-szerverek weboldalakat bocsátanak rendelkezésre o webkliensek weboldalakat kérnek le  rendszerint ezek a halmazok diszjunktak  a lekérdezések a webszervereken terhelést okoznak o átviteli sávszélesség o számítási igény  Terhelési elvárások o Egyes szervereken mindig magas terhelést kell kiszolgálni o Más szervereken nagy az igények ingadozása  Terhelés kiegyensúlyozása a WWW-n o Kommersziális megoldás 20

 







 szolgáltatók ilyen esetre Cache szervereket kínálnak  a sok lekérés ezekre a szerverekre kerül eloszlásra Web Caching o dinamikus hash-függvények segítségével osztják el az adatokat a szervereken, az ingadozó terhelésnek megfelelően Kiindulási szituáció o terhelés kiegyensúlyozás nélkül:  minden böngésző ugyanattól a web-szervertől tölti le a weboldalt o előny: egyszerű o hátrány: a szervert a legrosszabb esethez kell dimenzionálni Web-hely Caching o Az egész web-helyet több web-cache-be másoljuk (replikáljuk) o A böngésző a web-szervertől kér egy oldalt o Web-szerver átírányítja a kérést a web-cache-hez (redirect) o Web-cache elküldi a weboldalt o előny: az oldalak elosztásának jó a kiegyensúlyozása o hátrány:  szűk keresztmeszet: redirect  nagy overhead a teljes web-hely replikálása miatt Proxy Caching o Minden web-helyet egyes web-cache-re osztunk el o csak az első kérés éri el a web-szervert o a linkek az oldalon web-cache-beli oldalakra mutatnak o ezután a kliens a web-cache-ben szörfözik o előny: nincs szűk keresztmetszet o hátrány:  terhelés kiegyensúlyozás csak implicit lehetséges  magas követelmény a caching algoritmussal szemben Content Distribution Networks (CDN) o Cache-ek koordinált halmaza  nagy web-helyek terhelését elosztja globális elosztott szerver-farmon  lehetőleg különböző szervezetek web-oldalainak kezelése  a cache-lekérdezések regionálisan és terhelést tekintve a leginkább megfelelő helyre kerülnek átirányításra

Peer-to-Peer hálózat  Nem kliens-szerver hálózat  Egyenértékű partnerek közötti kapcsolatot jelenti  netslang: P2P  Egy Peer-to-Peer hálózat egy o számítógépek közötti kommunikációs hálózat az Interneten o melyben nincs központi irányítás o és megbízható partner sem  a Peer-to-Peer hálózatok forgalmának túlnyomó része szerzői jogokat sért  legális felhasználások: o internet-telefon, skype o szoftver elosztás (pl.: linux..) – gyorsabb letöltés, szerverek tehermentesítése o GNU-licenc alatti szoftver cserélje o privát filmek, fényképek, dokumentumok cserélje

21