Networking Basics

Peter Puschner Institut für Technische Informatik peter@vmars.tuwien.ac.at

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Why Networking? •  Communication •  Computation speedup (Parallelisierung von Subtasks) •  Load balancing •  Hardware preference (z.B. Nutzung spezieller HW) •  Software preference (SW auf bestimmten Knoten) •  Data transfer •  Data access (Prozess Migration statt Datentransfer) •  Distributed application (Embedded Systems) •  Fehlertoleranz

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Strategies •  Data Migration •  Computation Migration (z.B. Remote Procedure Call) •  Process Migration

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Network Structure (WAN) Wide-Area Network (WAN)

•  große geographische Ausdehnung •  Punkt-zu-Punkt Verbindungen über große

Entfernungen •  Typische Übertragungsrate: 1.5 – 45 Mbit/sec •  Broadcast erfordert Versenden mehrerer

Nachrichten •  Knoten: Workstations, PCs, Mainframes

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WAN Communication

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user processes

host OS

user processes

host OS

communication processor

CP CP

CP

CP

network host

H H

H

communication subsystem

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Network Structure (LAN) Local-Area Network (LAN)

•  kleine geographische Ausdehnung (bis etwa 10km) •  Multi-access Bus, Ring, Stern •  Übertragungsrate: 10 Mbit/sec – 1 Gbit/sec •  Broadcast: schnell, billig •  Knoten: Workstations, PCs, ev. Mainframe(s)

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Communication Networks •  Topology – physikalische Verbindungsstruktur •  Naming, Name Resolution – Lokalisierung der

Kommunikationspartner •  Routing •  Connection Strategy – Aufbau logischer

Verbindungen •  Contention – Auflösung von Zugriffskonflikten

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Network Topology •  Installationskosten – Kosten der physikalischen

Verbindung? •  Kommunikationskosten – wie lange ist eine

Nachricht unterwegs? •  Zuverlässigkeit – Effekt des Ausfalls von Knoten

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Network Topologies

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H H

H H

H H

H H

H H

H H

H

H

H

H

H H

H H

H H

H H

H

H

H

H

H

H Tree

Star Ring

fully connected partially connected

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Naming, Name Resolution Spezifikation des Kommunikationspartners (Rechner und Prozess)

< hostname, identifier >

Name Resolution: Zuordnung: Name è Host ID •  Fixe Übersetzungstabelle per Host •  Domain-name system (DNS)

–  IP Adressen aus Teilen (Bsp.: mail.tuwien.ac.at) –  Adressauflösung von hinten nach vorne –  Anfrage an Name Server für jeden Teil liefert Adresse

des Name Servers für Sub-Domain, usw.

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DNS Lookup Bsp.: DNS Lookup von mail.tuwien.ac.at

1. Kernel sendet Anfrage um Adresse des Name Servers für Domain ac.at an Server für Domain at (letzterer muss bekannt sein)

2. at Server liefert Adresse des Name Servers für ac.at

3. Kernel fragt ac.at Server um Adresse für tuwien.ac.at

4. Anfrage an resultierende Adresse liefert Internet-Adresse für mail.tuwien.ac.at è 128.130.35.36

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Routing Welchen Weg nimmt ein Nachrichtenpaket?

Routing Table •  Info. über Alternativen, Geschwindikeit, Kosten •  automatisches oder manuelles Update

Routing Strategien •  Fixed Routing: fixer Weg von A nach B •  Virtual Circuit: Weg von A nach B pro Session fix;

Nachrichtenreihenfolge bleibt erhalten •  Dynamic Routing: Pfad einer Nachricht wird beim

Senden bestimmt; Out-of-order Arrival möglich

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Connection Strategies Wie wird eine Communication Session zwischen zwei Prozessen realisiert? •  Circuit Switching: permanente physikalische

Verbindung für die Dauer der Session •  Message Switching: Temporäre Verbindung für

die Dauer einer Nachrichtenübertragung •  Packet Switching: Nachrichten variabler Länge

werden in Paketen gleicher Länge übertragen; Pfade der Pakete können verschieden sein

Setup Time versus Overhead bei Übertragung

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LAN: Contention Auflösung von Zugriffskonflikten, wenn Prozesse gleichzeitig Daten am Netzwerk senden wollen: •  CSMA/CD: carrier sense, multiple access (CSMA),

with collision detection (CD) –  Sendebeginn, wenn freies Medium erkannt wird –  Abbruch und neulicher Versuch nach Zufallsintervall,

wenn Kollision erkannt wird –  Viele Kollisionen bei Hochlast –  Einsatz in Ethernet

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LAN: Contention (2) •  Token Passing: eine speziell ausgezeichnete

Nachricht (token) wird laufend unter den Knoten “im Kreis” weitergegeben –  Wenn ein Knoten im Besitz des Tokens ist, kann er eine

Nachricht senden –  Weitergabe des Tokens nach dem Senden, bzw. wenn

der Knoten nichts zu senden hat –  Physikalische oder logische Ringstruktur –  Spezielle Protokolle zur Generierung des Tokens am

Anfang bzw. bei Tokenverlust

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Communication Protocols Kommunikationsprotokoll •  Satz von Regeln und Konventionen für die

Kommunikation von Daten •  definiert Syntax, Semantik und Synchronisation •  typische Eigenschaften von Protokollen

–  Identifikation der physikalischen Verbindung, des Kommunikationspartners

–  Verbindungsaufbau, -abbau –  Beginn, Ende, Formatierung von Botschaften –  Flusskontrolle, Fehlerbehandlung

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Communication Protocols (2) Verwendung von geschichteten Protokollen (Protocol Stacks), um Komplexität zu beherrschen •  Schicht (Layer) n bietet der Schicht n+1 ein

Interface mit Service Access Points (SAPs) •  Schicht n verwendet Services der Schicht n-1, um

eigene Services zu implementieren •  Kommunikationspartner: Einheiten des gleichen

Layers auf den kommunizierenden Knoten Beispiele:

OSI Referenzmodell, TCP/IP Protokollsuite

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OSI Layers

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application

process A network device

presentation

session

transport

network

data-link

physical

network

data-link

physical

application

process B

presentation

session

transport

network

data-link

physical

host A host B

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OSI-Protocol Layers (1) OSI-Schichtenmodell der Netzwerkkommunikation •  Physical Layer: mechanische und elektrische

Codierung für Übertragung von Bit Streams •  Data-link Layer: gesicherte Übertragung von

Frames auf dem Physical Layer (Flusskontrolle, Fehlererkennung und Korrektur)

•  Network Layer: liefert Verbindungen und Routing von Paketen (Interpretation von Adressen, Verwaltung von Routing Informationen, Routing)

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OSI-Protocol Layers (2) •  Transport Layer: Transfer von Daten zwischen

Komm.-Endknoten, Partitionierung von Nachrichen, Ordnen von Paketen

•  Session Layer: Realisiert Verbindungen zwischen Prozessen (Sessions); Kommunikation für Remote Login, File oder Mail Transfer

•  Presentation Layer: Auflösung unterschiedlicher Formate (Syntax, Semantik)

•  Application Layer: Interaktion mit Applikationen; File Transfer, Remote Login Protokolle, E-Mail

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Interfaces and Services

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ICI layer n+1

interface

layer n

service access point (SAP)

SDU

ICI SDU

IDU

SDU n-PDU

header layer n comm.

ICI … interface control information, IDU … interface data unit SDU … service data unit, PDU … protocol data unit

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OSI Communication

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application

process A

presentation

session

transport

network

data-link

physical

application

process B

presentation

session

transport

network

data-link

physical

data

bit stream

header

CRC

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OSI versus TCP/IP

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application

presentation

session

transport

network

data-link

physical

application

transport

network interface

internet

TCP

Eth

erne

t

IP

OSI Layers TCP/IP Layers TCP/IP Protocol Suite

UDP

ICMP

Toke

n R

ing/

Bus

FDD

I

…

SMTP FTP

telnet pop …

HTTP

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Zusammenfassung •  Schichtung von Protokollebenen zur Komplexitäts-

reduktion •  Verteilte Services erlauben Optimierung durch

Migration –  Erweiterte Services, Beschleunigung, Fehlertoleranz

•  Kosten –  Management, Konsistenthaltung