Számítógéphálózatok Távadatfeldolgozás 2000/2001. Tanév, II. félév Dr. Vadász Dénes

Vadász Ea1 2 A hallgatók A tárgyat hallgatók: –műszaki informatikusok (S1-S4, S5), gyakorlati jegy –műszaki menedzserek (i szakir), kollokvium –villamos főiskolások 12 hét, kollokvium.

Vadász Ea1 3 Ütemterv, feltételek, irodalom 3 órás előadások (adott témakörök) + 1 órás tantermi gyak (példák, számolások), kb 10 héten át. Zárthelyi dolgozat az aláírásért a 12. Héten –Gyakorlati jegyért egyéni feladat (socket programozás) + beszámít a ZH eredmény Lesz labor gyakorlat: hálózat monitorozás, kisebb csoportokban, héten Írásbeli vizsga, akinek kell Tankönyv: Tanenbaum: Számítógép- hálózatok, Novotrade-Prentice Hall, 1992

Vadász Ea1 4 Bevezetés: hálózat - osztott rendszer Számítógép hálózat: autonóm gépek összekapcsolt hálózata –Erősen centralizált kliens-szerver megoldás –Gyengébben centralizált kliens-szerver megoldás –Egyenrangú (peer-to-peer) megoldás Elosztott rendszer (a hálózattal szemben): a felhasználó számára nem láthatók az autonóm gépek

Vadász Ea1 5 Bevezetés: a hálózatosodás mozgatórúgói Erőforrás összevonás/megosztás –Minden erőforrás a fizikai helyétől függetlenül bárki számára elérhető legyen Megbízhatóság növelés –Több azonos funkciójú erőforrás legyen, duplázás, adatbiztonság, Gazdaságosság növelés –Pl. egy drága szupergép heleyett több, kisebb, olcsóbb Új (speciális) szolgáltatások: a kommunikáció

Vadász Ea1 6 Kiterjedés szerinti osztályozásuk (Adatfolyamgépek (kártyán), multiprocesszoros gépek – 1Gbps, VLAN (osztott rendszer) ) Lokális számítógép-hálózat (LAN) –  0-1 km, szoba-épület csoport, kis távolság, nagy sebesség  1Gbps Városi számítógép-hálózat (MAN) –<10 km, közepes táv, közepes sebesség  156Mbps Nagytávolságú-hálózat (WAN): –kontinensekre, nagytáv, közepes vagy kis sebesség  30Mbps Összekapcsolt nagytávolságú hálózat –bolygóra kiterjedő A sebességhatárok elmosódnak! LAN-WAN (MAN)

Vadász Ea1 7 Hálózati struktúrák elemei Host (gazdagép): alkalmazói programok futtatására. A hálózaton váltanak üzeneteket a host-ok. Átviteli vonalak: áramkörök (circuits), csatornák (chanels) Kapcsológépek Kapcsolóelemek: Interface Message Processors (IMPs)

Vadász Ea1 8 Kapcsológépek A kapcsológép (node) olyan számítógép, amely több átviteli vonalhoz kapcsolódik. Feladata az üzenetek irányítása (forgalom irányítás) ill. csomagolt (packet) üzenet elemek továbbítása.

Vadász Ea1 9 Hálózati HW elemek Egy gazdagép a médiumra kapcsolódik –Hálózati kártyák, kontrollerek (adapterek) –Modemek –Media Connectors (pl. UTP) Több szegmens öszekapcsolására –Jelismétlők (repeaters) –Hubok, elosztók passzív (csak összeköt) aktív (összeköt és regenerálja, erősíti a jeleket) intelligens (+ még ösvényt választ. Akkor miért nem híd?) –Hidak (bridges) –Nyalábolók (multiplexerek) Több hálózat összekapcsolására –Útvonalválszatók (routers) –Brouters (router+bridge funkció is)

Vadász Ea1 10 A hálózatoknak 2 nagy csoportja van 1.Pont- pont közötti kapcsola- tokból (csatornák- ból) felépülő

Vadász Ea1 11 A másik csoport 2. Üzenetszórásos csatornára épülő hálózat (Broadcast Channel)

Vadász Ea1 12 Üzeneszórásos csatornára épülő Gond: Egyszerre csak egy állomás adhat  csatorna kiosztási probléma. A csatornakiosztás lehet –Statikus –Dinamikus centralizált (központosított) decentralizált (elosztott)

Vadász Ea1 13 Hálózati architektúrák: alapfogalmak Az egyszerűbb (struktúrált) tervezés érdekében a számítógép-hálózatokat rétegekbe (layers, szintek: levels) szervezik. Egy réteg - jól definiált szolgáltatásokat biztosítva - elrejti a nyújtott szolgáltatások megvalósításának részleteit. Funkcionális elem (entity): az adott réteg funkcióinak megvalósítása A rétegek között interfész (interface): az alsó réteg által a felsőnek nyújtott elemi műveleteket, szolgálatokat (services) definiálja. Az interfészen keresztül (le és fel) vezérlő információk és adatok adódnak át.

Vadász Ea1 14 Társelemek Társelemek (peer entities): a különböző gépeken egymásnak megfelelő rétegben lévő funkcionális elemek. Az egyik gép n. rétege egy másik gép n. rétegével kommunikál (ez virtuális kommunikáció, a valós kommunikáció ui. a fizikai rétegben történik). A kommunikáció szabályait és konvencióit a protokoll (protocol) rögzíti. A többszintű kommunikációra egy példa

Vadász Ea1 15 Hálózati architektúrák Rétegek és protokollok halmaza Elegendő információ az implementáláshoz Nem része sem a részletes implementáció, sem az interfészek specifikációja (a konkrét implementáció során tervezői döntés).

Vadász Ea1 16

Vadász Ea1 17 A rétegek tervezési kérdései Minden rétegben lehet kapcsolat-felépítési és -lebontási mechanizmus Lehetnek adatátviteli szabályok, pl. –Az adatátvitel iránya –A logikai csatornák száma, prioritása, nyalábolás és hasítás –Útvonalkiválasztás, ha többszörös útvonal létezik –Hibavédelem, hibakezelés

Vadász Ea1 18 Az ISO-OSI hálózati referencia modell Nemzetközi Szabványügyi Szervezet (International Standards Organization: ISO) ajánlása: nyílt rendszerek összekapcsolása hivatkozási (referencia) modell (Open System Interconnection: OSI) A referencia modell: 7 rétegű struktúra Az OSI modell nem hálózati architektúra! Nem határoz meg konkrét protokollokat, szolgálatokat az egyes rétegekben. Csak funkciókat határoz meg.

Vadász Ea1 19 ISO/OSI rétegek kialakítása A rétegek kialakításának szempontjai: –A rétegek különböző absztrakciós szinteket képviseljenek –Szimetria –Flexibilitás –Szabványokat teremtése –Minimális információ csere –Rétegek száma

Vadász Ea1 20 Az ajánlott 7 réteg 7: Alkalmazási réteg (Application layer) – fájl átvitel, mail, virtuális terminál 6: Megjelenítési (Presentation layer) – kód konverzió, titkosítás, tömörítés (adatformátum kezelés) 5: Viszonyréteg (Session layer) (megjegyezhető nevek használatát engedjék) 4: Szállítási réteg (Transport layer) (end-to-end kapcsolat biztosítsunk nagy hálózaton) 3: Hálózati réteg (Network layer) – útvonal kiválasztás 2: Adatkapcsolási réteg (Data Link layer) – adategységek továbbítása, hiba ellenőrzés, behatárolás, javítás (biztosítsa a hálózati médium elérését) 1: Fizikai réteg (Physical layer) – fizikai közeghez kapcsolódik (vigye át az adatokat bitenként)

Vadász Ea1 21 Jegyezzük meg az alapfogalmakat! Protokoll –Szabályok halmaza, melyek két szeparált elem (entitás) közötti adatcserét szabályozzák (2 elem társalgásához ua. a "nyelvet" használni!) Ebben konvenciók a kommunikáció tárgyáról, az időzítésekről (sebesség, sorrendiség stb.), hogyanjáról stb. A protokolloknak van szintaxisa, szemantikája –Protokoll a társ-entitások között (peer-entities) van! Interfész –Két réteg között. Leírja az alsó réteg által nyújtott szolgálatokat, az ezek kéréséhez szükséges adatokat és vezérlő információkat, a szolgálatok eredményét adó információkat, ezek "hogyanját" is.

Vadász Ea1 22 Referencia modell –A rétegek ajánlott számát, a rétegek funkcióit adja meg, de nem határoz meg konkrét protokollokat és interfészeket! Hálózati architektúra –Rétegek és protokollok halmaza, ami már elég információ az implementáláshoz. Maga az implementáció azonban nem része, még az interfészek specifikációja sem! Jegyezzük meg az alapfogalmakat!

Vadász Ea1 23 ISO OSI modellen alapuló architektúra Az ISO szabványokat is készít az egyes rétegek számára (de ezek nem részei a hivatkozási modellenek) Az OSI modellen alapuló hálózati architektúrára példa a következő ábra.

Vadász Ea1 24

Vadász Ea A fizikai réteg: bitfolyam A bitek kommunikációs csatornán való áthaladásáért a felelős. A tipikus kérdések: –A közeg és csatlakozók fizikai kialakítása (hány tüske, milyen dugó) –Az egyes bitek reprezentációja (jelek) –Adatátviteli irányok meghatározása –Kapcsolat felépítése, bontása

Vadász Ea Adatkapcsolati réteg: keretek A hálózati réteg számára hibamentes átvitelt biztosít. Feladatai: –Keretképzés és behatárolás (a fizikai rétegnek megfelelően). –Hibák ellenőrzése, javítása (kódolás, nyugta küldés, fogadás). –Adatfolyam vezérlés (lassú vevő, forrás leállítás), forgalom szabályozás. –Szükség esetén csatornamegosztás (médiumhoz való hozzáférés biztosítás).

Vadász Ea Hálózati réteg: csomagok A kommunikációs hálózat működését vezérli –Csomagok forrás és célállomás közötti útvonalának meghatározása. Útvonal választás lehet statikus, dinamikus. –Torlódás vezérlés (szabadabb utak választása (ha van). –Heterogén hálózatok összekapcsolására alkalmas csomópont csak 3 réteget tartalmaz)

Vadász Ea Szállítási réteg:datagramok & szegmensek Feladata a viszonyréteg üzeneteinek továbbítása. Valódi forrás-cél (end-to-end) réteg: míg az alsóbb rétegekben társelemek nem feltétlenül a valódi forrás-cél elemek, itt azok valódiak (lásd 1.7.ábra).(lásd 1.7.ábra). Feladatok –Üzenetek tördelése illetve összeállítása –Összeköttetések létrehozása –Adatáramlás vezérlés –Hibakezelés

Vadász Ea Viszonyréteg: üzenetek Különböző gépek között felhasználói viszonyok létesítése Feladatok: –párbeszédek szervezése –szinkronizáció –kölcsönhatás menedzselés

Vadász Ea Megjelenítési réteg: üzenetek Az átviendő információ szintaktikájával és szemantikájával foglalkozik Feladatok: –kód konverzió, –titkosítás, –tömörítés.

Vadász Ea Alkalmazási réteg: üzenetek Fájl- és nyomtatószolgáltatások Kommunikációs szolgáltatások Directory szolgáltatások Alkalmazás szolgáltatás

Vadász Ea1 32

Vadász Ea1 33 Más modellek … A DoD (Department of Defense) modell Application Layer Host-to-Host (Transport) Internetwork Layer (IP) Network Access (Lan, WAN techn.) Data TCP-H DataTCP-H IP-H DataTCP-HIP-H MAC-H

Vadász Ea1 34 Szolgálatok (services) Az OSI modell egyes rétegeinek feladata, hogy jól definiált szolgálatokat nyújtson a fölötte lévő rétegnek. Szolgálatelérési pont (SAP: Service Access Point) fogalma: –A szolgálatok ezeken keresztül érhetők el. –Minden SAP egyedi azonosító címmel rendelkezik

Vadász Ea1 35 Az általános modell Pl.: N+1. rétegbeli funkcionális elem egy interfész adatelemet (IDU: Interface Data Unit) küld a SAP-on keresztül az N. rétegbeli funkcionális elemnek. ICI IDU ICI SDU N+1. réteg N. réteg interfész SAP Header N-PDU SDU Az N. réteg elemei N-PDU-kat cserélnek N. rétegbeli protokolljaikban. SDU-t esetleg szétdarabolva, fejrésszel lellátva keletkezik P-NDU. SDU: szolgálati adatelem PDU: protokoll adatelem ICI: interfész-vezérlő információ

Vadász Ea1 36 A szolgálatok típusai Összeköttetés alapú szolgálat (connection oriented) –összeköttetés felépítés, –használat, –lebontás. –Két variáns: üzenetsorozat (üzenethatárok megmaradnak), bájt-sorozat (nincsenek üzenethatárok).  Sorrendhelyes kapcsolat.

Vadász Ea1 37 Összeköttetésmentes szolgálat (connectionless service) –Az üzenetek (üzenet darabok) cél és feladó címet tartalmaznak, –egymástól függetlenül továbbítják őket. –Eredmény:  Nem sorrendhelyes kapcsolat. Mindkettő lehet nyugtázott (megbízható), vagy nyugtázatlan (megbízhatatlan) A szolgálatok típusai

Vadász Ea1 38 Szolgálatprimitívek Valamely szolgálatot primitívek, azaz műveletek halmazával írhatunk le. Az OSI modellben 4 primitív osztály: –Kérés (request): egy funkcionális elem valamely tevékenység végrehajtását kéri. –Bejelentés (indication): egy funkcionális elemet informálni kell egy eseményről. –Válasz (response): egy funkcionális elem válaszolni akar egy eseményre. –Megerősítés (confirm): egy funkcionális elemet informálni kell a kérésről.

Vadász Ea1 39 Szolgálatprimitív példák Megerősítetlen (nyugtázás nélküli) szolgálat: csak kérés-bejelentés, válasz-bejelentés (ábra) –Kérés: felső réteg kérése az alsó felé valamiért –Bejelentés: alsó réteg bejentéssel értesül a kérésről (hogy kérés történt : kérés  bejelentés) –Válasz: a másik felső réteg válaszol –Bejelentés: a felső réteg a válaszról bejelentéssel értesül (válasz  bejelentés) Megerősített szolgálat: kérés, bejelentés, válasz, megerősítés (ábra)

Vadász Ea1 40 A hoszt idő Kérés n+1-ből n-be Bejelentés n-ből n+1-be B hoszt Kérés n+1-ből n-be Bejelentés n-ből n+1-be Kérés n+1-ből n-be Bejelentés n-ből n+1-be Megerősítetlen (nyugtázás nélküli) szolgálat A hoszt idő Kérés n+1-ből n-be Bejelentés n-ből n+1-be B hoszt Válasz n+1-ből n-be Megerősítés n-ből n+1-be Megerősített (nyugtázott) szolgálat

Vadász Ea1 41 Egy "hétköznapi" példa … Milli nénit telefonon teára hívom…. Megerősített öszeköttetés-létesítés megerősítetlen adattovábbítással és összeköttetésbontással [Tanenbaum, p.44]

Vadász Ea1 42 Alapfogalmak, fizikai réteg Átviteli közeg (később) (sodrott érpár, koax kábel, fénykábel stb.) Átviteli mód –Alapsávú: az adatjeleket diszkrét elektromos v. fényimpulzus formájában viszik át. Lehet jeltorzulás. A csatornakapacitást egyetlen adatjel továbbítására használják. Pl. 4 feszültségszint: 4 jelzés 4 fényintenzitás: 4 jelzés stb. –Szélessávú: jellemző az analóg átvitel. Az adatjeleket vivőhullámokra ültetik, és 3 jellemző (amplitúdó, frekvencia, fázis) valamelyikét változtatva hozzák létre a jelzést (modulálnak). Pl. 2 amplitudószint + 4 fázisváltozás: 8 jelzés (kombinált moduláció)

Vadász Ea1 43 A csatorna adatátviteli (bitátviteli) sebessége –Átvitt adatmennyiség/idő: bit/sec, bps A csatorna jelzési sebessége –Átvitt_jelzések_száma/átviteli_idő (másodperc alatti jelváltozások): baud Csatorna sávszélesség –A legmagaszabb és legalacsonyabb átvitt frekvenciák különbsége. –Egy csatorna lehet sávkorlátozott. Telesítményveszteség miatt (a jel által az adott frekvencián szállított energia és a Furier együtthatók között kapcsolat) Beépített szűrők is lehetnek. További alapfogalmak

Vadász Ea1 44 Nyquist tétel Nyquist (1924) bizonyította –Ha tetszőleges jelet H sávszélességű aluláteresztő szűrőn átengedünk, akkor szűrt jelből másodpercenként 2H-szor mintát véve az eredeti jel teljesen visszaállítható. Ebből: –Max_adatátviteli_sebesség= 2 H log 2 V ahol H: a csatorna sávszélessége V: a jel diszkrét értékeinek száma (jelzések száma). (Azaz V érték log 2 V bitet hordozhat.)

Vadász Ea1 45 Zajos sávkorlátozott csatorna C. Shannon (1948) határozta meg a véletlen (termikus) zajjal tehelt csatornákra az elméleti maximális adatátviteli sebességet (információelméleti megfontolások alapján) Max_elérhető_adatátvit_seb= H log 2 (1+S/N) ahol –H: a csatorna sávszélessége; –S/N: a jel-zaj viszony (signal-to noise ratio) S: jelteljesítmény; N: zajteljesítmény,

Vadász Ea1 46 A jel-zaj viszony –A jel-zaj viszonyt általában decibelben (dB) adják meg, ami S/N dB = 10 log 10 S/N Azaz S/NS/N dB

Vadász Ea1 47 A Shannon korlát Zajos sávkorlátozott csatornán a maximális adatátviteli sebesség független a jelszintek (jelzések) számától, a mintavételezési gyakoriságtól … A gyakorlatban a Shannon-korlát megközelítése is nehéz! –Az előző 30dB-es csatorna tipikus hangátviteli telefonvonal, ezen 9600 bps már elfogadott, és ez is csak V=4 jelszintes (egy jelzés 2 bitet hordozhat) 4800 baudos jelzés-sebességű csatornán érhető el. A Shannon korlát információelméleti megfontolásokból származik és érvényességi köre rendkívül széles.

Vadász Ea1 48 Gyakorlat 1 1. feladat: 1, Byte adat szállítása floppylemezen A floppy írás/olvasás sebessége Byte/sec. Írom, viszaolvasással ellenőröm, majd 1 órán keresztül 50 Km/h sebességgel szállítom a célállomásig és ott beolvasom. Kérdések: Mekkora a a.Teljes adatátviteli idő? b.Az átlagos adatátviteli sebesség? c.Az adatátvitel késleltetési ideje ( d.Az átlagos jelzéssebesség baud-ban, ha egy jelzést 8 bitesnek tekintünk)?

Vadász Ea1 49 Gyakorlat 2 2. feladat Topológiák Hány lehetséges módon köthető össze 5 db csomópont (n) teljesen összekötött hálózat esetén, ha olyan pont-pont kapcsolatokat telepítünk, melyek egyaránt lehetnek nagy-, közepes- és alacsony sebességűek?

Vadász Ea1 50 Gyakorlat 3 3. feladat: Topológiák Vegyünk 2 n - 1 db csomópontot (egy csomópont jele N i ). Legyen a topológia a.csillag (középen is csomópont, az N c ); b.gyűrű; c.teljesen összekötött. Adjuk meg mindhárom esetre az átlagos csomópont-csomópont "ugrás" számot (az átlagos csomópont-csomópont csomag csomag által érintett élszámot) (n T )!

Vadász Ea1 51 Gyakorlat 4 4. feladat Keret újraadási szám valószínűsége Tegyük fel, az adatkapcsolati réteg úgy kezeli a hibákat, hogy a sérült keretek újraadását kéri. Legyen p annak a valószínűsége, hogy egy keret sérül (ekkor 1-p valószínűséggel nem sérül a keret). Tételezzük fel, hogy a nyugtázás sohasem sérül. Mi lesz egy keret n jelű újraindítási számának n v jelű várható értéke? (Várhatóan hányszor kell újraindítani?)

Vadász Ea1 52 Gyakorlat 5,6 5. feladat Adatátviteli sebesség Egy televíziós csatorna 6MHz sávszélességű. Hány bitet lehet másodpercenként elküldeni (mekkora az adatátviteli sebesség), ha négyértékű jeleket használunk? 6. feladat Adatátviteli sebesség Mekkora elméleti max. adatátviteli sebesség érhető el egy 3 KHz-es 20 dB-es jel- zaj viszonyú csatornán?