1

Uvod 1-1

Računarske mreže(napredni kurs)

SPR

Prof.dr Igor Radusinović

igorr@ac.me

All material copyright 1996-2007J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved

Uvod 1-2

O čemu se radi?

Kurs u računarskim mrežama (napredni kurs) nudi:

Sistematizaciju znanja stečenih o principima na kojima počivaju računarske mreže

upoznavanje Internet arhitekture/protokola na osnovnom nivou

Ovladavanje osnovnim analitičkim mehanizmima za opisivanje pojava na Internetu

Ciljevi Podići znanje iz računarskih mreža na viši nivo

Stvaranje uslova za aktivno učešće polaznika u budućem razvoju Interneta

2

Uvod 1-3

Informacije o kursu

Kome je namijenjen kurs? Dodiplomskim studentima telekomunikacija i računara, kao i

studentima specijalističkih studija na SPR Šta je poželjno znati od ranije?

Osnove telekomunikacija, programiranje, operativni sistemi ILI Računarske mreže, Poslovne računarske mreže, Internet tehnologije

Materijali kursa: Prezentacije urađene od strane autora knjige: Computer Networking:

A Top Down Approach Featuring the Internet, J. Kurose & Keith Ross, Addison Wesley, 4th edition, 2008 ili

Umrežavanje računara: Od vrha do dna sa Internetom u fokusu, J. Kurose & Keith Ross, Addison Wesley, prevod trećeg izdanja, CET Computer Equipment and trade, 2005

WWW Zabilješke sa predavanja

Uvod 1-4

Informacije o kursu (više)

Rad broj % ocjene

Kolokvijum 2 50%

Završni ispit 1 50%

Način polaganja:

3

Uvod 1-5

Pregled kursa:

Pripremna nedjelja

I nedjelja

II nedjelja

III nedjelja

IV nedjelja

V nedjelja

VI nedjelja

VII nedjelja

VIII nedjelja

IX nedjelja

X nedjelja

XI nedjelja

XII nedjelja

XIII nedjelja

XIV nedjelja

XV nedjelja

XVI nedjelja

Završna nedjelja

XVIII-XXI nedjelja

Priprema i upis semestra

Uvod u računarske mreže.

Principi protokola nivoa aplikacije. HTTP. FTP.

SMTP. DNS

Principi protokola nivoa transporta. Nekonektivni transportni servis (UDP)

Konektivni transportni servis (TCP).

TCP kontrola zagušenja. TCP kontrola protoka

Slobodna nedjelja

Prvi kolokvijum

Nivo mreže i rutiranje. Nekonektivni mrežni servis (IP)

Rutiranje na Internetu

Dijkstra i Bellman-Fordov algoritmi.

Drugi kolokvijum

Nivo linka i lokalne računarske mreže. Kontrola greške.

Ethernet

Bežične računarske mreže

Završni ispit

Ovjera semestra i upis ocjena.

Dopunska nastava i popravni ispitni rok.

Uvod 1-6

Glava 1: Uvod

Zadatak: Shvatiti kontekst,

pregled, “osjetiti” računarsku mrežu

dublje, detaljnije kasnije

pristup:

opisni

korišćenje Interneta kao primjera

Pregled: Šta je Internet

Šta je protokol?

Ivica mreže (network edge)

Okosnica mreže (network core)

Pristupna mreža (access network), fizički medijum

Internet/ISP struktura

Performanse: gubitak, kašnjenje i propusnost

Višenivovska arhitektura, mrežni protokoli, modeli servisa

4

Uvod 1-7http://www.caida.org/research/topology/as_core_network/

Uvod 1-8

Šta je Internet?

Iz čega se sastoji Internet u fizičkom smislu?

Milioni povezanih (umreženih) računarskih uređaja: hostovi=krajnji sistemi PC radne stanice, serveri

Mobilni telefoni, PDA, ....

izvršavaju mrežne aplikacije

Komunikacioni linkovi Optičko vlakno, bakarna parica,

radio kanal

Brzina prenosa= opseg (bandwith)

ruteri: prosleđivanje paketa između različitih mreža

Rezidencijalna mreža

Kompanijska mreža

Mobilna mreža

Globalni ISP

Regionalni ISP

5

Uvod 1-9

Iz čega se sastoji Internet u logičkom smislu?

protokoli kontrolišu slanje i prijem poruka npr, TCP, IP, HTTP, FTP, PPP

Internet: “mreža svih mreža” Labava hijerarhija

Javni Internet vs. privatniintranet

Internet standardi RFC: Request for comments

IETF: Internet Engineering Task Force

Šta je Internet?

Rezidencijalna mreža

Kompanijska mreža

Mobilna mreža

Globalni ISP

Regionalni ISP

Uvod 1-10

Šta je Internet (sa stanovišta usluge)? Komunikaciona infrastruktura

koja omogućava distribuiraneaplikacije:

Web, email, igrice, e-commerce, baze podataka, glasanje, file (MP3) sharing

Komunikacioni servisi koji su na raspolaganju aplikacijama:

Pouzdan prenos podataka od izvora do destinacije

“best effort” (nepouzdana) predaja podataka

6

Uvod 1-11

Šta je protokol?ljudski protokoli: “Koliko je sati?” “Imam pitanje” “Mogu li da

odgovaram za 10?” Ima li skaliranja? Upoznavanje

… šalju se posebne poruke

… rade se različite stvari kada poruka stigne

mrežni protokoli: Između mašina Sve komunikacione

aktivnosti na Internetu definišuprotokoli

Protokoli definišu format, redosled poslatih i

primljenih poruka izmeđumrežnih entiteta, i akcije koje se sprovode nakon prijema poslatih poruka

Uvod 1-12

Detaljniji pogled na mrežnu strukturu

Mrežna ivica:aplikacije i hostovi

Mrežna okosnica:međupovezani

ruterimreža povezanih

mreža Pristupna mreža,

fizički medijum:komunikacioni linkovi (žični i bežični)

7

Uvod 1-13

Ivica mreže: Krajni sistemi (hostovi):

izvršavaju aplikativne programe

npr. Web, email na “ivici mreže”

klijent/server model klijent host zahtijeva, dobija

servis od “uvijek dostupnog” servera

npr. Web browser/server; email client/server

peer-peer (P2P) model: minimalno (ili ne) korišćenje

dodijeljenih servera npr. Skype, BitTorrenth

hibridni modeli

klijent/server

peer-peer

Uvod 1-14

Ivica mreže: konektivni servis (connection-oriented)

Cilj: prenos podataka između krajnjih sistema

Rukovanje “handshaking”:uspostavljanje (priprema za) prenos podataka u budućnosti

Dobar dan, Dobar danljudski protokol

uspostavljanje “stanja”dva komunicirajuća hosta

TCP - Transmission Control Protocol

Internet konektivni servis

TCP servis [RFC 793] Pouzdan, redosledan

prenos podataka (u bajtovima) gubici: potvrde i

retransmisije

Kontrola protoka: Pošiljalac ne smije zatrpati

prijemnika

Kontrola zagušenja: Pošiljalac “usporava slanje”

kada je mreža zagušena

8

Uvod 1-15

Ivica mreže: nekonektivni servis (connectionless)

Cilj: prenos podataka između krajnjih sistema Isto kao i prije!

UDP - User Datagram Protocol [RFC 768]: Internet nekonektivni servis Nepouzdani prenos podataka Nema kontrole protoka Nema kontrole zagušenja

Aplikacije koje koriste TCP:

HTTP (Web), FTP (file transfer), Telnet (remote login), SMTP (email)

Aplikacije koje koriste UDP:

streaming media, telekonferencija, DNS, Internet telefonija

Aplikacije koje koriste i TCP i UDP:

Skype,…

Uvod 1-16

Pristupne mreže i fizički medijum

Pitanje: Kako povezati krajnji sistem na edge ruter?

Rezidencijalne pristupne mreže Institucionalne pristupne mreže

(škole, kompanije) Mobilne pristupne mreže

Obrati pažnju kapacitet (b/s) pristupne mreže? zajednički ili dodijeljeni?Popularni pristupi Dial-up modem DSL Kablovska Bežični pristup (GPRS, EDGE,

UMTS, WLAN, WiMAX,...)

9

Uvod 1-17

Fizički medijum

Bit: prenosi se prekopredajne/prijemne parice

fizički link: između predajnika i prijemnika

“vođeni” medijum: Signali se prenose preko

čvrstog medijuma: bakar,optičko vlakno, koaksijalac

“ne vođeni” medijum: Signali se prostiru slobodno,

npr., radio

Upredena parica

Dvije izolovane bakarne žice Kategorija 3:

tradicionalne telefonske žice, 10 Mb/s Ethernet

Kategorija 5 : 100Mb/s Ethernet

Kategorija 5e: 1Gb/s Ethernet

Kategorija 6: 10Gb/s Ethernet

Uvod 1-18

Fizički medijum: koaksijalac, optičko vlakno

Koaksijalni kabal: Dva koncentrična

bakarna provodnika

bidirekcioni

Osnovni opseg: jedan kanal na kablu

rani Ethernet

Širokopojasni : više kanala na kablu

HFC

Kabal sa optičkim vlaknima:

Stakleno vlakno prenosi svjetlosne impulse, svaki impuls jedan bit

Rad na visokim brzinama:

Brzi tačka-tačka prenosi (npr., nekoliko 100Gb/s)

Nizak nivo greške: veće rastojanje između ripitera i imunitet u odnosu na elektromagnetni šum

10

Uvod 1-19

Fizički medijum: radio

signal se prenosi elektromagnetnim spektrom

nema fizičke “žice”

bidirekcioni

Efekti propagacije: refleksija

difrakcija

interferencija

Radio link: Zemaljski mikrotalasni (terrestrial

microwave)

npr. kanali do 45 Mb/s

WLAN

2Mb/s, 11Mb/s, 54Mb/s, 600Mb/s

wide-area (npr., celularni)

3G: stotine kb/s

3.5G nekoliko Mb/s

4G (LTE Advanced i IEEE 802.15m): 1Gb/s (DL), 500Mb/s (UL)

satelitski

do 50Mb/s kanal (ili više užih kanala)

270 ms kašnjenje od kraja do kraja

geostacionarni (GEO) vs. niskoorbitni (LEO)?

Uvod 1-20

Okosnica mreže

Skup međupovezanih rutera

Fundamentalno pitanje: kako se podaci prenose mrežom?

Komutacija kola (circuit switching): svakoj komunikaciji se dodjeljuju telekomunikacioni resursi od kraja do kraja tokom čitavog njenog trajanja

Komutacija paketa (packet-switching): poruke se šalju preko mreže u djelovima (paketima) iz kojih se na destinaciji rekonstruiše poruka

11

Uvod 1-21

Okosnica mreže: Komutacija kola

Resursi od kraja do kraja se rezervišu za “poziv”

Kapacitet linka, kapacitet komutiranja

Dodijeljeni resursi: nema dijeljenja

Garantovane performanse

Zahtijeva se uspostavljanje poziva

Uvod 1-22

Okosnica mreže: Komutacija kola

Mrežni resursi (npr., kapacitet) su podijeljeni na “djeliće”

Djelići se dodjeljuju pojedinačnim komunikacijama

Djelić resursa je slobodan ako ga ne koristi neka komunikacija (nema dijeljenja resursa)

Dijeljenje kapaciteta linka na “djeliće”

Frekvencijski multipleks

Vremenski multipleks

Kodni multipleks

Prostorni multipleks

Ortogonalni frekvencijski multipleks

…

12

Uvod 1-23

Komutacija kola: FDMA and TDMA

FDMA (Frekvencijski multipleks)

frekvencija

vrijeme

TDMA (Vremenski multipleks)

frekvencija

vrijeme

4 korisnika

Primjer:

Uvod 1-24

Okosnica mreže: Komutacija paketa

Svaka komunikacija od kraja do kraja se dijeli na pakete

paketi korisnika A, B dijele mrežne resurse

Svaki paket koristi kompletan kapacitet linka

Resursi se koriste kada su

potrebni

Kolizija oko resursa: Suma zahtijevanih resursa

može preći nivo dostupnih resursa

Zagušenje: redovi čekanja paketa, koji čekaju na korišćenje linka

Uskladišti i proslijedi (store & forward): paketi se pomjeraju za jedan “hop” u intervalu vremenu

Prenos preko linka

Čekanje na sledeći link

Podjela kapaciteta na “djeliće”

Dodjela resursa

Rezervacija resursa

13

Uvod 1-25

Komutacija paketa: StatističkoMultipleksiranje

Sekvence paketa korisnika A & B nemaju fiksan sadržaj statističko multipleksiranje.

U vremenskom multipleksu svaki host dobija isti slot u okviru vremenskog multipleksa.

A

B

C1Gb/sEthernet

100Mb/s

D E

Statističko multipleksiranje

Red čekanja paketa koji čekaju na izlazni link

Uvod 1-26

Komutacija poruka: uskladišti i proslijedi (store-and-forward)

L/R sekundi je potrebno da se prenese (“ugura”) porukaveličine L bita na link čija je brzina prenosa R b/s

Čitava poruka mora doći na ruter prije nego što se ona proslijedi na sledeći link: store and forward

kašnjenje = 3L/R (ako se zanemari vrijeme propagacije

Primjer: L = 10 Mb R = 2 Mb/s kašnjenje = 15 sec

R R R

L

14

Uvod 1-27

Komutacija paketa vs. komutacija kola

1 Mb/s link svaki korisnik:

100 kb/s kada je “aktivan” aktivan 10% vremena

Komutacija kola: 10 korisnika

Komutacija paketa: Sa 35 korisnika,

vjerovatnoća da je više od> 10 aktivnih manja od .0004

Komutacija paketa dozvoljava većem broju korisnika da koriste mrežu!

N korisnika

1 Mb/s link

Uvod 1-28

Komutacija paketa vs. komutacija kola

Odlična za “sporadične” (bursty) podatke

zajedničko korišćenje resursa

jednostavnija, nema uspostavljanja poziva

Prekomjerno zagušenje: kašnjenje paketa i gubici

potrebni su protokoli za pouzdani prenos podataka i kontrolu zagušenja

Pitanje: Kako postići performanse nivoa komutacije kola?

garantovan kapacitet za potrebe audio/video aplikacija je problem koji još uvijek nije riješen!

Jeli komutacija paketa “pobjednik”?

15

Uvod 1-29

Mreže sa komutacijom paketa: prosleđivanje Cilj: pomjeranje paketa unutar rutera od izvora do

destinacije razmatraćemo kasnije više algoritama za selekciju puta

(rutirajućih algoritama)

Datagram mreža: adresa destinacije u paketu određuje naredni hop (skok)

rute se mogu mijenjati tokom sesije

analogija: vožnja, traženje informacije o željenom pravcu

Mreža virtuelnih kola: Svaki paket nosi “etiketu” tzv.tag (ID virtuelnog kola), tag

određuje naredni hop

Fiksna putanja se određuje prilikom uspostavljanja poziva, i ostaje nepromijenjena do kraja sesije

ruteri održavaju “per-call” stanje

Uvod 1-30

Struktura Interneta: mreža svih mreža

ISP-i trećeg reda (“Tier-3” ) ili lokalni ISP-i (local ISP) poslednji hop (“pristup”) mreže (najbliže krajnjim sistemima)

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier-2 ISPTier-2 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

lokalniISPlokalni

ISPlokalniISP

lokalniISP

lokalniISP Tier 3

ISP

lokalniISP

lokalniISP

lokalniISP

Lokalni i tier-3 ISP-i su korisnici ISP-a većeg reda preko kojih se povezuju na ostatak Interneta

16

Uvod 1-31

Struktura Interneta: mreža svih mreža

paket se prenosi preko mnogo mreža!

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier 1 ISP

Tier-2 ISPTier-2 ISP

Tier-2 ISP Tier-2 ISP

Tier-2 ISP

lokalniISPlokalni

ISPlokalniISP

lokalniISP

lokalniISP Tier 3

ISP

lockalniISP

lokalniISP

lokalniISP

Uvod 1-32

17

Uvod 1-33

Kako nastaju gubici i kašnjenje?

Paketi se smještaju u red čekanja (queue) u baferima rutera

Dolazna brzina paketa prevazilazi kapacitet odlaznog linka

Paketi čekaju na slanje

A

B

paket se prenosi (kašnjenje)

Paketi čekaju (kašnjenje)

slobodni (dostupni) baferi: dolazni paketi se odbacuju(gube) ako nema slobodnih bafera

Uvod 1-34

Četiri izvora kašnjenja paketa

1. obrada u čvorištu: Provjera greške na bitu Utvrđivanje odlaznog linka …

A

B

Propagacija

Prenos

Obrada u čvorištu Čekanje

2. Čekanje Vrijeme čekanja za prenos

na odlaznom linku

Zavisi od nivoa zagušenosti rutera

…

18

Uvod 1-35

Kašnjenje u mrežama sa komutacijom paketa

3. Kašnjenje uslijed prenosa:

R=kapacitet linka (b/s)

L=veličina paketa (bit)

Vrijeme slanja jednog paketa po linku = L/R

4. Kašnjenje uslijed propagacije:

d = dužina fizičkog linka s = brzina prostiranja po

medijumu (~2x108 m/sec)

Kašnjenje uslijed propagacije= d/s

A

B

Propagacija

Prenos

Obrada učvorištu Čekanje

Napomena: s i R su dvije različite veličine

Uvod 1-36

Analogija sa karavanom vozila

Vozila se “prostiru” brzinom od 100 km/h

Naplatne rampe naplaćuju taksu za 12 s (vrijeme prenosa)

vozilo~bit; karavan ~ paket

Pitanje:Koliko je potrebno da se karavan “postroji” ispred druge naplatne rampe?

Vrijeme da se “gurne” kompletan karavan kroz naplatnu stanicu na auto putu je 12*10 = 120 sec

Vrijeme da poslednje vozilopređe od prve do druge naplatne rampe: 100km/(100km/h)= 1 h

Odgovor: 62 minuta

Naplatna rampa

Naplatnarampa

Karavan od 10 auta

100 km 100 km

19

Uvod 1-37

Analogija sa karavanom (nastavak)

Vozila se sada“prostiru” brzinom od 1000 km/h

Naplatnoj stanici treba 1 min da naplati taksu

Pitanje: Da li će vozila vozila stići do druge naplatne stanice prije nego što se sva vozila ne obrade na prvoj?

Da! Poslije 7 min, prvo vozilo će biti na drugoj naplatnoj rampi dok će još uvijek 3 vozila čekati na prvoj.

Prvi bit paketa može stići do narednog rutera prije nego što je čitav paket prenesen preko prvog rutera!

Pogledati Ethernet applet!!!

Naplatna rampa

Naplatnarampa

Karavan od 10 auta

100 km 100 km

Uvod 1-38

Kašnjenje u čvorištu

dproc = vrijeme obrade tipično nekoliko mikrosekundi ili manje

dqueue = kašnjenje uslijed čekanja zavisi od zagušenja

dtrans = kašnjenje uslijed prenosa = L/R, značajno na linkovima malih kapaciteta

dprop = vrijeme propagacije nekoliko mikrosekundi do nekoliko stotina milisekundi

proptransqueueprocnodal ddddd

20

Uvod 1-39

Kašnjenje uslijed čekanja

R=kapacitet linka (b/s)

L=veličina paketa (bit)

a=srednja dolazna brzina paketa

Intenzitet saobraćaja = La/R

La/R ~ 0: srednje kašnjenje uslijed čekanja je malo

La/R -> 1: kašnjenje postaje veliko

La/R > 1: više saobraćaja “dolazi” nego što može da “ode”, srednje kašnjenje je beskonačno!

Srednje kašnjenje

uslijed čekanja

Uvod 1-40

“Realna” Internet kašnjenja i rute

Kako izgledaju “realna” Internet kašnjenja & gubici?

Traceroute: daje mjerenja kašnjenja od izvora do rutera duž Internet puta od kraja izvora do kraja do destinacije. Za svako i: šalje tri paketa koji će dostići ruter i na putu do

destinacije ruter i će vratiti paket pošiljaocu pošiljalac mjeri vrijeme između slanja i odgovora.

3 mjerenja

3 mjerenja

3 mjerenja

21

Uvod 1-41

Gubitak paketa

Red čekanja (bafer) ima konačan kapacitet

Kada paket dođe do popunjenog reda čekanja paket se odbacuje (gubitak)

Izgubljeni paket se može ponovo poslati od strane prethodnog čvora, ili izvorišnog krajnjeg sistema ili se ponovo ne šalje

A

B

paket je poslat

paket dolazi na punibafer i biva izgubljen

bafer (prostor za čekanje)

Uvod 1-42

Propusnost

propusnost: brzina (b/s) kojom se biti prenose od pošiljaoca do destinacije trenutna: brzina u posmatranom trenutku

srednja: prosječna brzina tokom dužeg intervala

server, sa fajlomveličine F bita, koji

se šalje klijentu

Kapacitet linkaRs b/

Kapacitet linkaRc b/s

cijev prenosi“fluid” brzinom

Rs b/s)

cijev prenosi“fluid” brzinom

Rc bits/sec)

server šalje bite(fluid) u cijev

22

Uvod 1-43

Propusnost (više)

Rs < Rc Koliko iznosi srednja propusnost od kraja do kraja?

Rs b/s Rc b/s

Rs > Rc Koliko iznosi srednja propusnost od kraja do kraja?

Rs b/s Rc b/s

link koji ograničava propusnost

“bottleneck” link

Uvod 1-44

Propusnost: Internet scenario

10 konekcija na fer način dijele “bottleneck” link okosnice

kapaciteta R b/s

Rs

Rs

Rs

Rc

Rc

Rc

R

Propusnost po konekciji:min(Rc,Rs,R/10)

U praksi: Rc ili Rs je obično “bottleneck”

23

Uvod 1-45

Internet arhitektura

Aplikacija: podržava mrežne aplikacije FTP, SMTP, STTP

Transport: host-host prenos podataka TCP, UDP

Mreža: rutiranje datagrama od izvora do destinacije Internet Protocol (IP), rutirajući

protokoli

Link : prenos podataka između susjednih mrežnih elemenata PPP, Ethernet

Fizički: biti “po žici”

Nivo aplikacije

Nivo transporta

Nivo mreže

Nivo linka

Fizički nivo

Uvod 1-46

ISO/OSI referentni model

prezentacija: dozvaljava aplikacijama razumijevanje značenja podataka, npr., enkripcije, kompresija,...

Sesija: sinhronizacija, oporavak razmjene podataka,...

Internet nema ove nivoe!

Ovi servisi ako su potrebni se implementiraju unutar nivoa aplikacije

Nivo aplikacije

Nivo prezentacije

Nivo sesije

Nivo transporta

Nivo mreže

Nivo linka

Fizički nivo