Számítógép rendszerek 1. óra Számítógépes hálózatok, internet
Kis visszatekintés a Magyar nyelv és irodalom érettségire: a kommunikáció tényezői [...] A közlésfolyamat teljessége folyamatos vagy esetenként szerepcserét is feltételez, amikor a feladóból címzett, a vevőből pedig közlő válik. Bármelyik tényező hiánya sikertelenné teszi a kommunikációt. 1. Az információ feladója (közlője), aki beszél. 2. A vevő az, akihez beszélnek. 3. A közvetítő közeg (csatorna), az információ továbbításának eszköze: levegő, telefondrót, stb. 4. A közlemény vagy üzenet, a továbbított információ tárgya. 5. A kód, azaz a közleményt kifejező nyelvi vagy jelrendszer, és ennek elemei és szabályai, melyeket a résztvevők kölcsönösen ismernek. 6. A kontextus, azaz beszédhelyzet vagy szituáció a kommunikációs közeg, amelyben a közlemény megkapja a maga teljes jelentését. Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 1/18
A kommunikáció és tényezői számítógépes hálózatok esetén 1. Szükséges egy fizikai eszköz, ami a jeleket továbbítja. Ennek alkotóelemei: Egy közvetítő közeg, amiben a jel terjed, pl. rézkábel, levegő. Egy egyezményes rendszer (eszközök és szabályok), ami a számítógépek által előállított bináris információt alkalmassá teszi a fenti közegben való továbbításra, és a továbbított jelet a fogadónál ismét bináris információvá alakítja. Egy szabályrendszer a közvetítő közegen folyó kommunikáció lebonyolítására, az ütközések elkerülése végett, pl. ha két eszköz egyszerre akarna beszélni. 2. A fizikai kapcsolaton felül a kommunikáló számítógépek között szükséges egy logikai kapcsolat, aminek célja például a több csomagban megérkezett információk összeállítása, a hibásan megérkezett információ-csomagok újraküldetésének kezdeményezése, stb. 3. A logikai kapcsolaton felül szükséges hogy az egymással kommunikáló számítógépes programok olyan formátumban és olyan szabályok szerint küldjék egymásnak az információkat, hogy azokat kölcsönösen megértsék. (Hasonlóan, mint ahogy a felhasználók közötti adatcsere feltétele a kölcsönösen elfogadott fájlformátumok használata, pl. Worddel nehéz megnyitni egy OpenOffice dokumentumot.) Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 2/18
A kommunikáció és tényezői számítógépes hálózatok esetén A számítógépek közötti kommunikáció mára már nagymértékben szabványosított (ITU-T, ISO, IEC, IEEE, IETF, és egyéb szervezetek). A kommunikáció előbb felsorolt tényezőit általában rétegnek (layer) nevezik. A kapcsolatokat megvalósító és irányító szabályokat protokolloknak (protocol) nevezik. Az előbb felsorolt három réteg a valóságot nagyon leegyszerűsíti. A valósághoz közelebb álló rétegeket rögzítenek például: OSI referenciamodell (OSI = Open Systems Interconnection) az ISO és az ITU-T közös kezdeményezése a számítógépes hálózatok szabványosítására az OSI referenciamodell 1977 óta létezik tartalmát az ISO/IEC 7498-1:1994 szabvány és az ITU-T X.200 (11/93) ajánlás rögzíti Internet protokollstruktúra az IETF RFC 1122 (1989) kvázi-szabvány rögzíti az OSI referenciamodellnél egyszerűbb rétegfelosztás elterjedt a TCP/IP megnevezés, de a valóságban a struktúra az IP-n és a TCP-n kívül még sok más protokollt is magában foglal Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 3/18
Az OSI referenciamodell és az internet protokollstruktrúra OSI referenciamodell Internet protokollstruktúra 7. Alkalmazás (Application) 6. Megjelenési (Presentation) 4. Alkalmazás (Application) 5. Viszonylati (Session) 4. Átviteli (Transport) 3. Szállítási (Transport) 3. Hálózati (Network) 2. Hálózati (Internet) 2. Adatkapcsolati (Data Link) 1. Fizikai (Physical) 1. Kapcsolati (Link) A továbbiakban az internet protokollstruktúrát, valamint az azt megvalósító eszközöket és protokollokat vesszük közelebbről szemügyre, néhány gyakorlati példán keresztül. Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 4/18
Példa: Fájlátvitel két számítógép között A feladat: az egyik számítógépről ( A ) juttassunk át egy fájlt a másik számítógépre ( B ). A megvalósítás lépései: 1. (Fizikai) kapcsolat kiépítése a két számítógép között. 2. Hálózati kapcsolat létrehozása a két számítógép között. 3. Alkalmazáskapcsolat létrehozása a két számítógép között. Esetünkben az internet protokollstruktúra a következő konkrét protokollokból fog állni: Internet réteg Konkrét megvalósítás/protokoll 4. Alkalmazás FTP (File Transfer Potocol) 3. Szállítási TCP (Transmission Control Protocol) 2. Hálózati IP (Internet Protocol) 1. Kapcsolati Ethernet Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 5/18
Ethernet hálózatok Az Ethernet jelenleg a helyi hálózatok (LAN: Local Area Network) legelterjedtebb formája. Szabványosítása 1972-ben kezdődött, az IEEE 802.3 szabvány 1983-ban született meg. Magában foglalja a fizikai rétegre, és a fizikai rétegen történő kommunikációra vonatkozó szabványokat. Az internet protokollstruktúra 1. rétegét, a kapcsolati réteget valósítja meg. A legegyszerűbb Ethernet hálózat hozzávalói: 2 db számítógép, egy-egy hálózati csatolóval (NIC: Network Interface Controller) 2 db kábel (pl. 10BASE-T: csavart réz érpárok, kábelenként 2 db, RJ45 csatlakozókkal) 1 db hálózati hub (ez a hálózati elem közvetít a két gép között) A hub B Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 6/18
Ethernet hálózatok: kábelek A régebbi Ethernet hálózatok koaxiális kábeleket használtak (kb. mint a TV antennakábelek: 1 vezető kábel, szigetelő réteg, árnyékoló réteg, külső szigetelés). Az árnyékolatlan csavart réz érpár (UTP: Unshielded Twisted Pair) szabványosítása 1987- ben kezdődött (az IEEE 802.3 szabványsorozat keretein belül) az 1BASE5 kábelekkel, ezt követték 10BASE-T, 100BASE-TX, 1000BASE-T, és egyéb kábelszabványok (ezek az 1 Mbit/s, 10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1 Gbit/s sebességű kommunikációt támogatják). Csatlakozók tekintetében ma az RJ45 csatlakozó elterjedt. UTP kábel RJ45 csatlakozó Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 7/18
Ethernet hálózatok: hálózati hubok A hálózati hub az egyik legegyszerűbb hálózati eszköz. Két vagy több Ethernet eszköz összekapcsolására szolgál. Működése: minden adatot, amit valamelyik csatlakozóján (portján) keresztül fogad, továbbít az összes többi csatlakozójára (portjára). 4 portos hálózati hub Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 8/18
Ethernet hálózatok: protokoll Az Ethernet hálózaton küldött adatcsomagokat kereteknek (frame) nevezik. A hálózat működése alapvetően egyszerű: egyszerre csak egy számítógép beszélhet, amit egyszerre mindenki hall. Minden keret tartalmazza a címzett gép egyedi azonosítóját (MAC címét), ami alapján a címzett gép kiválogatja a neki címzett kereteket (6 byte, pl. 00 E0 18 B1 B2 D9). Ha egyszerre több számítógép akar beszélni, akkor ütközés (collision) történik. Az ilyen helyzetek feloldására alkalmazzák a CSMA/CD algoritmust. Ha egy gépnek mondanivalója van, megvárja, amíg mindenki más befejezi a beszédet. Ezután elküldi a keret első bitjét. Ha emiatt ütközés történt, abbahagyja az adatközlést, kibocsát egy ütközést észleltem jelzést, és egy véletlenszerűen meghatározott hosszúságú időtartamon át nem próbálkozik újra adatközléssel. Ezután újra próbálkozik a keret első bitjének elküldésével. Ha nem történt ütközés, az adatátvitel folytatódik a keret többi bitjével. Nagyobb Ethernet hálózatokban az állandó ütközések miatti várakozások következtében az adatforgalom nagyon lelassulhat. Ennek megelőzésére olyan hálózati eszközöket kellett bevezetni, amik már rendelkeznek annyi intelligenciával, hogy az ütközéseket megpróbálják elkerülni: ezek a bridgek (más néven switchek). Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 9/18
Ethernet hálózatok: hálózati bridgek (switchek) A bridgek megjelenésre a hubokhoz hasonlóak. Folyamatosan gyűjtik az adatokat arról, hogy melyik portjukra mely MAC című eszközök csatlakoznak. A keretek tartalmát elemezve azokat csak arra a portjukra továbbítják, amihez a címzett eszköz csatlakozik. Ezzel jelentősen csökkentik az ütközések számát, és lehetővé teszik, hogy a hálózat különböző szegmensein a csatlakoztatott eszközök egyszerre kommunikáljanak. Címzett: B A Címzett: B A B B hub C bridge C Ütközés! Címzett: C D Címzett: C D Ethernet hálózat hubbal Ethernet hálózat bridge-vel Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 10/18
IP hálózatok Mint az előbb láttuk, egy Ethernet keret sokféle hálózati protokoll csomagjait szállíthatja. A mi esetünkben IP (Internet Protocoll) csomagokat fog szállítani. Az IP-nek több változata is volt/van forgalomban, jelenleg a legelterjedtebb a 4. verzió (IPv4), és folyamatban van a 6. verzió (IPv6) bevezetése. Az IETF RFC 791 (1981) kvázi-szabvány rögzíti részleteit, az amerikai hadügyminisztérium MIL-STD-1777 számmal szabványosította. Az internet protokollstruktúra 2. rétegét, a hálózati réteget valósítja meg. Bármilyen csomagalapú hordozón (például az előbb tárgyalt Etherneten) keresztül használható. Nem garantálja, hogy a küldött csomagok a címzetthez mind megérkeznek, csak egy példányban érkeznek meg, és megfelelő sorrendben érkeznek meg. Erről egy magasabb rétegben (3. réteg: szállítási réteg) működő protokollnak kell gondoskodnia. Minimális garanciát vállal az egyes csomagok fejlécének sértetlenségére. Az egyes kommunikáló felek IP címükkel azonosítják magukat. Ez egy 32 bit hosszúságú szám, amit 8 bitenként csoportosítva és tízes számrendszerbe átváltva is írhatunk, pl. 10011000 01000010 00000101 00001000 = 152.66.5.8 Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 11/18
IP: MAC címek és IP címek összehangolása Probléma: A gép szeretne kommunikálni B géppel. Tudja B IP címét, de nem tudja B MAC címét, ezért nem tudja vele felvenni a kapcsolatot. Megoldás: a címfeloldási protokoll (ARP: Address Resolution Protocol) Speciális Ethernet keretek, amiket az FF FF FF FF FF FF MAC címre küldenek (broadcast cím), így minden csatlakoztatott eszköz megkapja. A címfeloldás egy kérdés keretből, és egy arra kapott válasz keretből áll. Egy ilyen párbeszéd például: Kérdés: mi a MAC címe a 192.168.0.5 IP című gépnek? Válasz: a 192.168.0.5 IP című gép MAC címe 00 E0 18 B1 B2 D9. Egyéb használatai: Egy, a hálózathoz újonnan csatlakozni szándékozó gép ellenőrzi, hogy az általa használni kívánt IP cím nem foglalt-e már. Egy, a hálózathoz újonnan csatlakozott gép bejelenti MAC és IP címét a többieknek. Stb. Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 12/18
TCP adatfolyamok Tehát már van egy Ethernet hálózatunk, amin IP csomagok szaladgálnak számítógépről számítógépre. A különálló IP csomagokból a folyamatos adatfolyamok összeállítását (pl. hosszabb szöveges üzenetet) a TCP (Transmission Control Protocol) valósítja meg. Az IP önmagában nem garantálja, hogy a küldőtől a címzetthez a csomagok sorrendben érkeznek meg, sőt azt sem garantálja hogy egyáltalán megérkeznek. Az IP csomagok TCP csomagokat hordoznak, a TCP intézi az adatfolyamok folyamatossá tételét a számítógépen futó programok számára, kérelmezi az elveszett csomagok újraküldését, stb. A TCP csomag fejlécei határozzák meg, hogy a címzett számítógépen melyik futó program hoz fognak eljutni az információk. Az IETF RFC 973 (1981) kvázi-szabvány rögzíti részleteit. Az internet protokollstruktúra 3. rétegét, a szállítási réteget valósítja meg. Az alatta fekvő rétek általában IP, a két protokoll az idők folyamán szorosan összefonódott, innen jön a közkeletű TCP/IP elnevezés. Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 13/18
Extrém kapcsolati rétegek pl. postagalamb 2001. április 28-án a Bergeni Linux-felhasználók Klubja megvalósította a postagalambokkal való IP-csomag továbbítást. A végpontok távolsága kb. 5 km volt. A kapcsolatot 9 pingeléssel tesztelték, amiből 4-re érkezett válasz (55%-os csomagveszteség). PING 10.0.3.1 (10.0.3.1): 56 data bytes 64 bytes from 10.0.3.1: icmp_seq=0 ttl=255 time=6165731.1 ms 64 bytes from 10.0.3.1: icmp_seq=4 ttl=255 time=3211900.8 ms 64 bytes from 10.0.3.1: icmp_seq=2 ttl=255 time=5124922.8 ms 64 bytes from 10.0.3.1: icmp_seq=1 ttl=255 time=6388671.9 ms --- 10.0.3.1 ping statistics --- 9 packets transmitted, 4 packets received, 55% packet loss round-trip min/avg/max = 3211900.8/5222806.6/6388671.9 ms Az IP-csomag útja: nyomtatás postagalamb szkennelés karakterfelismerés. Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 14/18
Hálózatok összekapcsolása Általánosan elterjedt jelölés: ha A és B a világ két különböző részén helyezkedik el, és kommunikálni szeretnének egymással, nincs más dolguk, minthogy keresztülküldjék IPcsomagjaikat az INTERNET feliratú óriási felhőn. A INTERNET B Ez szép, de mi van a felhőben? A felhőben szerte a világon elhelyezkedő, a legkülönbözőbb módon (Ethernet, bérelt vonal, víz alatti kábel, műholdas kapcsolat, mikrohullámú kapcsolat, stb.) összekötött, internetszolgáltatók vagy más szervezetek által üzemeltetett útválasztók (router) vannak. Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 15/18
Útválasztók (routerek) Az interneten a kijelölt routerek autonóm rendszereket (Autonomous System) képviselnek. Egy autonóm rendszer egy olyan rendszer, ami például saját IP cím tartománnyal rendelkezik. Például a BMENET (a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem IP hálózata) rendelkezik a 152.66.0.0/16, a 193.6.23.0/24 és a 193.224.185.0/24 címtartományok felett (azaz a 152.66.0.0 152.66.255.255 B osztályú, a 193.6.23.0 193.6.23.255 C osztályú, és a 193.224.185.0 193.224.185.255 C osztályú címtartományok felett). Minden autonóm rendszer rendelkezik egy egyedi azonosítóval (ASN: Autonomous System Number), pl. a BMENET ASN-je 2547. Az autonóm rendszerek nyilvántartják, hogy melyik más autonóm rendszereken keresztül érhetők el (AS Path), és ezt a tudást a BGP (Border Gateway Protocol, IETF RFC 4271) használatával egymásnak továbbadják. Az autonóm rendszerek az interneten egy decentralizált hálózatot alkotnak: nincsenek központi routerek, egy új router csatlakozásakor az általa újonnan behozott AS Path információ routerről routerre terjed, míg a világszere a routerek meg nem ismerik az új jövevény elérhetőségét. A routerek ezt az AS Path információt használják fel, hogy eldöntsék, az A -ból B -be tartó IP csomagokat melyik szomszédos routeren keresztül továbbítsák. Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 16/18
Konkrét példa az útválasztásra Otthonról, a T-xxxxxx internetszolgáltatóra csatlakozva szeretném elérni a BMENET hálózatában található gépemet. Hány útválasztón fognak keresztülmenni az IP-csomagok? A nyomozás eszköze a traceroute program, ami egy-egy IP-csomag útjának közbenső állomásait követi le. Ssz. IP cím AS (ASN) Megjegyzés 1. 84.2.157.168 2. 145.236.238.216 3. 81.183.245.5 4. 81.183.245.6 HTC (5483) 5. 195.111.97.102 HBONE/HUNGARNET (1955) 6. 152.66.0.125 7. 152.66.0.90 BMENET (2547) Otthoni IP címem Hungarian Telecom Public Internet Access Provider Hungarian Academic and Research Network Budapest University of Technology and Economics 8. 152.66.5.67 Egyetemi gépem IP címe Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 17/18
Források, további olvasnivalók: Benke Róbert: A kommunikációs folyamat tényezői, funkciói, ezek összefüggései kifejezésmóddal Wikipedia (információk, képek forrása): http://en.wikipedia.org/wiki/ethernet http://en.wikipedia.org/wiki/osi_model http://en.wikipedia.org/wiki/internet_protocol_suite http://en.wikipedia.org/wiki/border_gateway_protocol stb. Wikimedia Commons (egyes képek forrása) A BIX (Budapest Internet Exchange) AS kapcsolatai más AS-ekkel ( peer fül) http://www.robtex.com/as/as5507.html Számítógép rendszerek, 1. óra: Számítógépes hálózatok, internet 18/18