Ryhmn jsenet Jouni Kortelainen diat 1 10 Paavo

Ryhmän jäsenet: Jouni Kortelainen diat 1 -10 Paavo Pirinen diat 10 -21 Aleksi Pohjola diat 22 -31

Chapter 1 Introduction A note on the use of these ppt slides: We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in Power. Point form so you see the animations; and can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following: v If you use these slides (e. g. , in a class) that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!) v If you post any slides on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material. Thanks and enjoy! JFK/KWR Computer Networking: A Top Down Approach 6 th edition Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley March 2012 All material copyright 1996 -2012 J. F Kurose and K. W. Ross, All Rights Reserved Introduction 1 -2

Chapter 1: introduction our goal: v get “feel” and terminology v more depth, detail later in course v approach: § use Internet as example overview: v v v v what’s the Internet? what’s a protocol? network edge; hosts, access net, physical media network core: packet/circuit switching, Internet structure performance: loss, delay, throughput security protocol layers, service models history Introduction 1 -3

Luku 1: esittely yleiskatsaus: Tavoitteemme: v Saada tuntumaa ja v Mikä on internet? v Mikä on protokolla? sanastoa v Reunaverkko; isäntä, v Enemmän syvyyttä liityntäverkko, fyysinen media ja tarkennuksia v Ydinverkko; paketti/piirikytkentä, myöhemmin internetin rakenne kurssilla v Suorituskyky; hävikki, viivästys, välityskyky v lähestymistapa: v Turvallisuus § Käytetään v Protokolla kerrokset; palvelumalli internettiä v historia esimerkkinä Introduction 1 -4

Chapter 1: roadmap 1. 1 what is the Internet? 1. 2 network edge § end systems, access networks, links 1. 3 network core § packet switching, circuit switching, network structure 1. 4 delay, loss, throughput in networks 1. 5 protocol layers, service models 1. 6 networks under attack: security 1. 7 history Introduction 1 -5

What’s the Internet: “nuts and bolts” view PC server v millions wireless laptop smartphone of connected computing devices: § hosts = end systems § running network apps v communication wireless links wired links § fiber, copper, radio, satellite § transmission rate: bandwidth v Packet router switches: forward packets (chunks of data) § routers and switches mobile network global ISP home network regional ISP institutional network Introduction 1 -6

Internetin perusteet PC palvelin v Miljoonia langaton Kannettava älypuhelin yhdistettyjä tietokoneita ja laitteita: § isännät = päätelaitteet § Ajaa verkko-ohjelmia v Tietoliikenneyhteydet langaton Yhteys langallinen yhteys globaali ISP kotiverkko alueellinen ISP § Kuitu, kupari, radio, satelliitti § lähetysnopeus: kaistanleveys v Pakettikytkimet: reititin mobiiliverkko välittää paketteja (kimpale dataa) § Reitittimiä ja kytkimiä laitosverkko Introduction 1 -7

“Fun” internet appliances Web-enabled toaster + weather forecaster IP picture frame http: //www. ceiva. com/ Tweet-a-watt: monitor energy use Slingbox: watch, control cable TV remotely Internet refrigerator Internet phones Introduction 1 -8

What’s the Internet: “nuts and bolts” view v Internet: “network of networks” mobile network § Interconnected ISPs v protocols control sending, receiving of msgs § e. g. , TCP, IP, HTTP, Skype, 802. 11 v global ISP home network Internet standards regional ISP § RFC: Request for comments § IETF: Internet Engineering Task Force institutional network Introduction 1 -9

Internetin perusteet v Internet: “verkkojen verkko” mobiiliverkko § Toisiinsa yhdistetyt ISP: t (internetpalveluntarjoaja) v Protokollat säätelevät viestien lähetystä ja vastaanottoa § e. g. , TCP, IP, HTTP, Skype, 802. 11 v globaali ISP kotiverkko alueellinen ISP Internet standardeja § RFC: Request for comments § IETF: Internet Engineering Task Force laitosverkko Introduction 1 -10

What’s the Internet: a service view v Infrastructure that provides services to applications: § Web, Vo. IP, email, games, e-commerce, social nets, … v mobile network global ISP home network regional ISP provides programming interface to apps § hooks that allow sending and receiving app programs to “connect” to Internet § provides service options, analogous to postal institutional network Introduction 1 -11

Mikä on internet: palvelunäkymä v Infrastruktuuri, joka tarjoaa palveluja sovelluksille : § Web, Vo. IP, email, pelit, verkkokauppa, sosiaalinenmedia, … v mobiiliverkko globaali ISP kotiverkko alueellinen ISP Tarjoaa rajapinnan sovelluksille § Hookkeja jotka mahdollistavat sovellusten yhdistymisen verkkoon § Tarjoaa palveluvaihtoehtoja, laitosverkko Introduction 1 -12

What’s a protocol? human protocols: v v v “what’s the time? ” “I have a question” introductions … specific msgs sent … specific actions taken when msgs received, or other events network protocols: v v machines rather than humans all communication activity in Internet governed by protocols define format, order of msgs sent and received among network entities, and actions taken on msg transmission, receipt Introduction 1 -13

Mikä on protokolla? Ihmisen protokollia: v v v “paljonko kello on? ” “Minulla on kysymys” esittelyt … tietyt lähetetyt viestit … tietyt tehdyt toiminnot kun viesti saadaan, tai muut tapahtumat Verkon protokollia: v v Koneita ihmisten sijaan Kaikkea Internetin toimintaa hallitaan protokollilla Protokollat määrittelevät formaatin, viestien lähetys- ja saapumisjärjestyksen verkkojen kesken ja toimet viestiäIntroduction 1 -14

What’s a protocol? a human protocol and a computer network protocol: Hi TCP connection request Hi TCP connection response Got the time? Get http: //www. awl. com/kurose-ross 2: 00 <file> time Q: other human protocols? Introduction 1 -15

Mikä on protokolla? Ihmisen protokolla ja tietokoneverkon protokolla: moro TCP yhdistämispyyntö tere TCP vastaus Paljos kello Get http: //www. awl. com/kurose-ross 2: 00 <tiedosto> aika Q: muita ihmisten protokollia? Introduction 1 -16

Chapter 1: roadmap 1. 1 what is the Internet? 1. 2 network edge § end systems, access networks, links 1. 3 network core § packet switching, circuit switching, network structure 1. 4 delay, loss, throughput in networks 1. 5 protocol layers, service models 1. 6 networks under attack: security 1. 7 history Introduction 1 -17

A closer look at network structure: v network edge: § § hosts: clients and servers often in data centers v access networks, physical media: wired, wireless communication links v network core: § interconnected routers § network of networks mobile network global ISP home network regional ISP institutional network Introduction 1 -18

Lähempi katsaus internetin rakenteeseen: v Reunaverkko: § § isännät: asiakkaat ja palvelimet Serverit usein datakeskuksissa v Liityntäverkko, fyysinen media: langallinen ja langaton tietoliikenneverkko v ydinverkko: § Toisiinsa yhdistetyt reitittimet § Verkkojen verkko mobile network global ISP home network regional ISP institutional network Introduction 1 -19

Access networks and physical media Q: How to connect end systems to edge router? v v v residential access nets institutional access networks (school, company) mobile access networks keep in mind: v v bandwidth (bits per second) of access network? shared or dedicated? Introduction 1 -20

Liityntäverkko ja fyysinen media Q: Kuinka liittää päätelaite reunaverkon reitittimeen? v v v kotiliityntäverkko Institutionaalinen verkko(koulu, yritys) Mobiililiityntäverkko Pidä mielessä: v v Liityntäverkon kaistanleveys Jaettu vai omistettu? Introduction 1 -21

Access net: digital subscriber line (DSL) central office DSL splitter modem voice, data transmitted at different frequencies over dedicated line to central office v v v telephone network DSLAM ISP DSL access multiplexer use existing telephone line to central office DSLAM § data over DSL phone line goes to Internet § voice over DSL phone line goes to telephone net < 2. 5 Mbps upstream transmission rate (typically < 1 Mbps) < 24 Mbps downstream transmission rate (typically < 10 Mbps) Introduction 1 -22

Liityntäverkko: digitaalinen tilaajayhteys(DSL) keskustomisto DSL splitter modem ääni, data lähetetään Eri taajuuksilla varatulla linjalla keskustoimistoon v v v puhelinverkko DSLAM ISP DSL liityntä ottovalitsin Käyttää olemassaolevia puhelinlinjoja toimistolle DSLAM § Data DSL puhelinlinjalla menee internettiin § Ääni DLS puhelinlinjalla menee puhelinverkkoon < 2. 5 Mbps lähetysnopeus ylös(yleensä < 1 Mbps) < 24 Mbps lähetysnopeus alas(yleensä < 10 Mbps) Introduction 1 -23

Access net: cable network cable headend … cable splitter modem V I D E O V I D E O D A T A C O N T R O L 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Channels frequency division multiplexing: different channels transmitted in different frequency bands Introduction 1 -24

Liityntäverkko: kaapeliverkko Kaapelin päävahvistinasema … Kaapeli- jakaja modeemi V I D E O V I D E O D A T A C O N T R O L 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Channels “taajuusosien kanavointi”: eri kanavat lähetetään eri taajuusalueilla Introduction 1 -25

Access net: cable network cable headend … cable splitter modem data, TV transmitted at different frequencies over shared cable distribution network v v CMTS cable modem termination system ISP HFC: hybrid fiber coax § asymmetric: up to 30 Mbps downstream transmission rate, 2 Mbps upstream transmission rate network of cable, fiber attaches homes to ISP router § homes share access network to cable headend § unlike DSL, which has dedicated access to central Introduction 1 -26 office

Liityntäverkko: kaapeliverkko cable headend … cable splitter modem tieto ja TV lähetetään eri taajuuksilla jaetussa kaapeliyhteyden jakeluverkossa v v CMTS Kaapeli-modeemin katkaisusysteemi ISP HFC: hybridi kuitu-koaksaalikaapeli § epäsymmetrinen: ylös lähetysnopeus 30 Mbps saakka, alas lähetysnopeus 2 Mbps saakka Kaapeleiden verkko, kuitu yhdistää kodit ISP: n reitittimeen § kodit jakavat liityntäverkon yhdyskäytävälle § Toisin kuin DSL, jolla on oma yhteys keskustoimistolle Introduction 1 -27

Access net: home network wireless devices to/from headend or central office often combined in single box cable or DSL modem wireless access point (54 Mbps) router, firewall, NAT wired Ethernet (100 Mbps) Introduction 1 -28

Liityntäverkko: Kotiverkko Langattomat laitteet Usein yhdistetty yhteen laatikkoon Langaton yhteyspiste (54 Mbps) Päävahvistinasemalta/ -asemalle tai keskustoimistolta/ -toimistolle Kaapeli tai DSLmodeemi reititin, palomuuri, osoitteenmuutos (NAT) langallinen Ethernet (100 Mbps) Introduction 1 -29

Enterprise access networks (Ethernet) institutional link to ISP (Internet) institutional router Ethernet switch v v v institutional mail, web servers typically used in companies, universities, etc 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps transmission rates today, end systems typically connect into Ethernet switch Introduction 1 -30

Yritysten liityntäverkot (Ethernet) institutionaalinen linkki ISP: lle (Internet) institutionaalinen reititin Ethernet kytkin v v v Institutionaalinen sähköposti, Web-serverit Käytetään normaalisti yhtiöissä, yliopistoissa, jne. 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps lähetysnopeudet Nykyään päätelaitteet yhdistyvät yleensä Ethernetkytkimelle Introduction 1 -31

Wireless access networks v shared wireless access network connects end system to router § via base station aka “access point” wireless LANs: § within building (100 ft) § 802. 11 b/g (Wi. Fi): 11, 54 Mbps transmission rate wide-area wireless access § provided by telco (cellular) operator, 10’s km § between 1 and 10 Mbps § 3 G, 4 G: LTE to Internet Introduction 1 -32

Langattomat liityntäverkot v Jaettu langaton liityntäverkko ydistää päätelaitteen reitittimeen § Kotiaseman, toisinsanoen“liityntäpisteiden”, välityksellä Langattomat lähiverkot: § Rakennuksen sisällä (n. 30 m) § 802. 11 b/g (Wi. Fi): 11, 54 Mbps lähetysnopeus Laaja-alainen langaton yhteys § Teleoperaattorin tarjoama operator, kymmeniä kilmetrejä § 1 ja 10 Mbps välillä § 3 G, 4 G: LTE to Internet Introduction 1 -33

Host: sends packets of data host sending function: v takes application two packets, message L bits each v breaks into smaller chunks, known as packets, of length L bits 2 1 v transmits packet into access network at R: link transmission rate host transmission rate R § link transmission rate, aka link capacity, aka link bandwidth time needed to packet L (bits) transmission = transmit L-bit = R (bits/sec) packet into link delay 1 -34

Isäntäkone: lähettää data-paketteja Isäntäkoneen lähetystapa: v Vastaanottaa Kaksi pakettia, sovelluksen viestin Molemmat L-bittisiä v Rikkoo sen pienempiin osiin, paketeiksi, jotka ovat kooltaan L bittiä 2 1 v Lähettää paketit liityntäverkkoon R: linkin lähetysnopeus host lähetysnopeudella R § Linkin lähetysnopeus, eli linkin suorituskyky, eli linkin Aika joka menee Paketin L (bits) L-bittisen toimituksen = kaistanleveus = R (bits/sec) paketin siirtoon linkille viive 1 -35

Physical media v v bit: propagates between transmitter/receiver pairs physical link: what lies between transmitter & receiver guided media: § signals propagate in solid media: copper, fiber, coax unguided media: § signals propagate freely, e. g. , radio twisted pair (TP) v two insulated copper wires § § Category 5: 100 Mbps, 1 Gpbs Ethernet Category 6: 10 Gbps Introduction 1 -36

Fyysinen media v v bitti: etenee vastaanotin/lähetin-parien välillä Fyysinen yhteys: mitä on lähettimen ja vastaanottimen välillä Ohjattu media: § Signaalit etenevät kiinteässä aineessa: kupari, kuitu, koaksaalikaapeli Ohjaamaton media: § Signaalit etenevät vapaasti, esim. radio Kierretty parijohto (TP) v Kaksi eristettyä kuparijohtoa § § Kategoria 5: 100 Mbps, 1 Gpbs Ethernet Kategoria 6: 10 Gbps Introduction 1 -37

Physical media: coax, fiber coaxial cable: v v v two concentric copper conductors bidirectional broadband: § multiple channels on cable § HFC fiber optic cable: v v glass fiber carrying light pulses, each pulse a bit high-speed operation: § high-speed point-to-point transmission (e. g. , 10’s-100’s Gpbs transmission rate) v low error rate: § repeaters spaced far apart § immune to electromagnetic noise Introduction 1 -38

Fyysinen media: koksu, kuitu koaksaalikaapeli: v v v Kaksi samankeskistä kuparijohdinta kaksisuuntainen laajakaista: § monta kanavaa kaapelissa § HFC Valokuitukaapeli: v v Lasikuitua, joka vie mukanaan valoa, jokainen pulssi vastaa bittiä Nopea operaatio: § Nopeat pisteeltä pisteellelähetykset (esim, 10’s-100’s Gpbs lähetysnopeus) v Vähän virheitä: § Toistimet sijoitettu kauas toisistaan § Immuuni elektromagneetiselle häiriölle Introduction 1 -39

Physical media: radio v v signal carried in electromagnetic spectrum no physical “wire” bidirectional propagation environment effects: § reflection § obstruction by objects § interference radio link types: v terrestrial microwave § e. g. up to 45 Mbps channels v LAN (e. g. , Wi. Fi) § 11 Mbps, 54 Mbps v wide-area (e. g. , cellular) § 3 G cellular: ~ few Mbps v satellite § Kbps to 45 Mbps channel (or multiple smaller channels) § 270 msec end-end delay § geosynchronous versus low altitude Introduction 1 -40

Fyysinen media: radio v v Signaali liikkuu elektromagneettisesti Ei fyysistä johdinta kaksisuuntainen Ympäristön vaikutukset etenemioseen: § heijastuminen § kappaleiden estäminen § interferenssi Radio-linkkien tyypit: v Maanpäällinen mikroaalto § e. g. kanavat 45 Mbps asti v LAN (e. g. , Wi. Fi) § 11 Mbps, 54 Mbps v Laaja-alue (e. g. , matkapuhelinverkko) § 3 G matkapuhelinverkko: ~ muutama Mbps v satelliitti § Kbps - 45 Mbps kanava (tai useita pienempiä kanavia) § 270 ms päästä päähän-viive § Geosynkroninen verrattuna pieniin korkeuksiin Introduction 1 -41

Chapter 1: roadmap 1. 1 what is the Internet? 1. 2 network edge § end systems, access networks, links 1. 3 network core § packet switching, circuit switching, network structure 1. 4 delay, loss, throughput in networks 1. 5 protocol layers, service models 1. 6 networks under attack: security 1. 7 history Introduction 1 -42

The network core v v mesh of interconnected routers packet-switching: hosts break application-layer messages into packets § forward packets from one router to the next, across links on path from source to destination § each packet transmitted at full link capacity Introduction 1 -43

Verkon ydin v v Yhdistyneiden reitittimien verkko Pakettien vaihto: isäntäkoneet rikkovat ohjelmatason viestejä paketteihin § Välittää paketteja reitittimeltä toiselle, reitillä olevien linkkien läpi lähteestä määränpäähän § Jokainen paketti lähetetään täydellä linkin kapasiteetilla Introduction 1 -44

Packet-switching: store-andforward L bits per packet source v v v 3 2 1 R bps takes L/R seconds to transmit (push out) L-bit packet into link at R bps store and forward: entire packet must arrive at router before it can be transmitted on next link end-end delay = 2 L/R (assuming zero propagation delay) R bps destination one-hop numerical example: § L = 7. 5 Mbits § R = 1. 5 Mbps § one-hop transmission delay = 5 sec more on delay shortly … Introduction 1 -45

Pakettien vaihto: varastointi ja välitys L bittiä per paketti lähde v v v 3 2 1 R bps Vie L/R sekunttia lähettää L-bittinen paketti linkille R bps-nopeudella Varastointi ja välitys: Koko paketin täytyy saapua reitittimelle ennen kun se voidaan välittää eteenpäin Päästä päähän-viive = 2 L/R (oletetaan etenemisen viive olemattomaksi) R bps määränpää one-hop numerical example: § L = 7. 5 Mbits § R = 1. 5 Mbps § one-hop transmission delay = 5 sec more on delay shortly … Introduction 1 -46

Packet Switching: queueing delay, loss A B C R = 100 Mb/s R = 1. 5 Mb/s queue of packets waiting for output link D E queuing and loss: v If arrival rate (in bits) to link exceeds transmission rate of link for a period of time: § packets will queue, wait to be transmitted on link § packets can be dropped (lost) if memory (buffer) fills up Introduction 1 -47

Pakettien vaihto: viiveen jonotus, menetys A B C R = 100 Mb/s R = 1. 5 Mb/s D E queue of packets waiting for output link Jonotus ja tiedon menetys: v Jos tiedon saapumisnopeis linkille on suurempi kuin lähetysnopeus tietyn aikaa: § Paketit jäävät jonottamaan lähetystä linkille § Paketteja poistetaan jos jono täyttyy Introduction 1 -48

Two key network-core functions routing: determines source- forwarding: move packets destination route taken by packets § routing algorithms from router’s input to appropriate router output routing algorithm local forwarding table header value output link 0100 0101 0111 1001 1 3 2 2 1 3 2 11 01 dest address in arriving packet’s header Network Layer 4 -49

Verkon ytimen toiminnot kahdella merkillä reititys: määrittää lähteen ja välitys: liikuttaa paketteja määränpään välisen pakettien reitin § reititysalgoritmit reittimen sisääntulosta sopivaan ulostuloon routing algorithm Paikallinen välitystaulu Otsikon arvo ulostulo 0100 0101 0111 1001 1 3 2 2 1 3 2 11 01 Määränpään osoite saapuvan paketin otsikossa Network Layer 4 -50

Alternative core: circuit switching end-end resources allocated to, reserved for “call” between source & dest: v v In diagram, each link has four circuits. § call gets 2 nd circuit in top link and 1 st circuit in right link. dedicated resources: no sharing § circuit-like (guaranteed) performance circuit segment idle if not used by call (no sharing) Commonly used in traditional Introduction 1 -51

Vaihtoehtoinen ydin: piirin vaihto resurssit varattu “kutsuille” lähteen ja määränpään välillä: v v Diagrammissa jokaisella linkillä on 4 piiriä § Kutsu saa 2. piirin ylälinkissä ja 1. piirin oikealla puolella olevassa linkissä Erilliset resurssit: ei jakamista § piirimäinen (varma) toiminta Piirin osa toimettomana jos ei käytetä kutsussa (ei jakoa) Käytetään perintäisissä Introduction 1 -52

Circuit switching: FDM versus TDM Example: FDM 4 users frequency time TDM frequency time Introduction 1 -53

Packet switching versus circuit switching packet switching allows more users to use network! • 100 kb/s when “active” • active 10% of time N users …. . example: § 1 Mb/s link § each user: 1 Mbps link v circuit-switching: § 10 users v packet switching: § with 35 users, probability > 10 active at same time is less than. 0004 * Q: how did we get value 0. 0004? Q: what happens if > 35 users ? * Check out the online interactive exercises for more examples Introduction 1 -54

Pakettien vaihto vs. piirin vaihto Pakettien vaihto sallii useampien käyttäjien verkon käyttämisen! • 100 kb/s aktiivisena • aktiivisena 10% ajasta v Piirin N users …. . esimerkki: § 1 Mb/s linkki § Jokainen käyttäjä: 1 Mbps link vaihto: § 10 käyttäjää v Pakettien vaihto: § 35 käyttäjällä, todennäköisyys > 10 aktiivisena samaan aikaan vähemmän kuin. 0004* Q: how did we get value 0. 0004? Q: what happens if > 35 users ? * Check out the online interactive exercises for more examples Introduction 1 -55

Packet switching versus circuit switching is packet switching a “slam dunk winner? ” v v v great for bursty data § resource sharing § simpler, no call setup excessive congestion possible: packet delay and loss § protocols needed for reliable data transfer, congestion control Q: How to provide circuit-like behavior? § bandwidth guarantees needed for audio/video apps § still an unsolved problem (chapter 7) Q: human analogies of reserved resources (circuit switching) versus on-demand allocation (packet-switching)? Introduction 1 -56

Pakettien vaihto vs piirin vaihto onko pakettien vaihto selvä voittaja? Hyvä tiedonkäytölle, joka on ajoittain suurta § Resurssien jakaminen § Yksinkertaisempi, ei kutsujen astusta v Liiallinen ruuhka mahdollista: pakettien viivettä ja menetystä § Tarvitaan protokollat luotettavaan tiedonsiirtoon, ruuhkan estoon v Q: Kuinka tuottaa piirimäinen toiminta? § Tarvitaan varmistuksia kaistanleveydellle ääni/videoohjelmia varten § Yhä ratkaisematon ongelma Q: human analogies of reserved resources (circuit switching) versus on-demand allocation (packet-switching)? v Introduction 1 -57