PB156.md

PB156 Počítačové sítě

ZKOUŠKA: 10-12 otázek, volné odpovědi, opravuje i konzultuje Hladká, bude předtermín + 6 řádných termínů

NAVAZUJÍCÍ: PV233 (Cisco Academy I.), PV234 (Cisco Academy II.), PV169, PV183

"Víte, co je to hladká funkce?"

Úvod do světa počítačových sítí

Úvod

počítačová síť -- skupina počítačů a zařízení propojená komunikačními kanály, které umožňují vzájemnou komunikaci a sdílení dat mezi uživateli

• využití: komunikace, sdílení HW, SW, souborů dat a informací
• základní vlastnosti sítě:
  • Delivery (správný příjemce)
  • Accuracy (správnost dat)
  • Timeliness (včas)

sender (odesílatel) -- zařízení zasílající datovou zprávu

receiver (příjemce) -- zařízení přijímající datovou zprávu

message (zpráva) -- informace, které je mezi odesílatelem a příjemcem vyměňovaná

transmission medium (přenosové médium) -- fyzické médium, skrze které je zpráva mezi odesílatelem a příjemcem přenesena

protocol (protokol) -- sada pravidel řídících komunikaci mezi zúčastněnými stranami

Parametry síťových toků:

• bandwidth (propustnost) -- udává kapacitu přenosového kanálu (bps, kbps, Mbps, Gbps...)
• packet loss (ztrátovost paketů) -- průměrný počet ztracených paketů za určité období vyjádření v % vzhledem k celkovému počtu přenesených paketů
• delay, latency (zpoždění přenosu) -- čas mezi odesláním a přijetím zprávy (ms)
  • RTT delay (Round-Trip-Time delay) -- čas trasy (odesílatel odešle -> příjemce přijme -> příjemce odešle -> odesílatel přijme)
• jitter (rozptyl, kolísání zpoždění) -- variabilita zpoždění přenosu (ms, μs...)

Ideální síť	Skutečná síť
transparentní	vnitřní struktura ovlivňuje doručení dat
neomezená propustnost	omezená propustnost
bezztrátová	ztrátová
bez zpoždění a jitteru	zpoždění a jitter
zachování pořadí paketů	možné prohození pořadí paketů
data nejsou poškozena	data mohou být poškozena

Požadované vlastnosti

• efektivita (maximální využití zdrojů)
• spravedlivost (stejná priorita různých toků)
• decentralizovaná správa
• rychlá konvergence při adaptaci na nový stav
• spolehlivost
• řízení toku dat (aby nenastalo zahlcení sítě)

Základní přístupy

Spojované sítě (stavové)

• přepínání okruhů
• před začátkem komunikace je vytvořeno spojení (okruh) a to je udržováno po celou dobu komunikace
• pevný okruh × okruh vytvořený na přání
• slečny spojovatelky
• snadná implementace
• např. analogové telefonní sítě

Nespojované sítě

• směrování paketů
• data nejdou po předem připravené cestě, ale jsou rozdělena do menších kousků a jednotlivé části sítě vybírají, kam paket pošlou dál (snaží se jej přiblížit cíli)
• není potřeba uchovávat stav sítě
• složitější implementace
• např. Internet

Implementace funkcionality

End-to-End (E2E)

• není nutná kooperace vnitřních síťových prvků
• vše je v koncových bodech sítě
• zajišťuje věrnost přenesených dat
• větší zpoždění

Hop-by-Hop (HbH)

• funkcionalita se opakuje na každém uzlu sítě (rozhodování, kam data pošlu)
• prvky uvnitř sítě si pamatují její stav -> limitovaná škálovatelnost
• důležitější je minimalizovat zpoždění -> real-time systémy

Síťové modely

• dekompozice úkolu (analogie s posíláním dopisu poštou)

ISO/OSI model

• ISO = název organizace, OSI = název modelu
• 7-vrstvý model vytvořený pro zajištění kompatibility a interoperability komunikačních systémů různých výrobců
• každá vrstva plní určitou funkcionalitu
• každá vrstva komunikuje pouze se svými přímými sousedy
• vrstvy jsou pouze abstrakce funkcionality, implementace je jiná

Fyzická vrstva -- přenosový média, signály, bitová reprezentace (bity)

Vrstva datového spoje -- MAX a LLC, fyzická adresa (rámce)

Síťová vrstva -- logické síťové adresování, směrování (pakety)

Transportní vrstva -- proces-proces komunikace, spolehlivost (segmenty -- TCP, datagramy -- UDP)

Relační vrstva -- relace, správa relací (data)

Prezentační vrstva -- datová reprezentace (data)

Aplikační vrstva -- síťové aplikace (data)

TCP/IP model

Vrstva přístupu k síti/médiu

Síťová (Internetová) vrstva

Transportní vrstva

Aplikační vrstva

Síťové komunikační protokoly

• komunikace musí být nějak standardizovaná
• průběh komunikace:
  • výzva ke komunikaci
  • akceptace komunikace
  • akceptování/odmítnutí/timeout

síťový protokol -- definice formátu a pořadí zpráv vyměňovaných mezi entitami a akce probíhající při odesílání a příjmu, určuje syntax, sémantiku a časování (např. UDP, TCP, IP, IPv6, SSL, TLS, SNMP, HTTP, FTP, SSH, Aloha, CSMA/CD,...)

Standardizace

• stanovení norem
• cíle: kvalita, bezpečnost, kompatibilita, interoperabilita, portabilita
• de facto -- obecně akceptovaná vhodná technická řešení
• de jure -- standardy nařízené kompetentními organizacemi/autoritou

Standadizační instituce

• ANSI (American National Standards Institute)
• EIA (Electronics Industry Assiciation) -- normalizace na úrovni fyzické vrstvy
• IEC (International Electrotechnical Commission)
• IEEE (Institute of Electrical and Electrionic Engineers)
• IETF (Internet Engineering Task Force) -- příprava specifikací pro Internet
  • RFC (Request for Comments)
• ISO (International Organization for Standardiation)
• ITU-T (International Telecommunications Union - Telecommunications Standardization Sector)

Příklady reálných sítí

• CESNET2
• GEANT2
• Internet2/Abilene

Fyzická vrstva

• řídí děje v přenosovém médiu
• poskytuje služby vrstvě datového spoje
• transformuje bity na signály a naopak
• určuje počet logických kanálů souběžně přenášejících data z různých zdrojů
• cíl: přenést bity (obsah rámců) mezi odesílatelem a příjemcem
• vlastnosti (parametry a návaznosti signálů, zapojení konektorů apod.) jsou určeny standardy

přenosové médium -- přenáší data mezi uzly

• analogové přenosové médium -- éter
• digitální přenosové médium -- koaxiál, kroucená dvojlinka

Služby

• Bit-to-Signal Transformation -- převod bitů na signál
• Bit-Rate Control -- kontrola počtu bitů za sekundu
• Bit Synchronization -- synchronizace příjemce a odesílatele
• Multiplexing -- rozdělení na logické kanály za účelem vyšší efektivit
• Circuit Switching -- přepínání okruhů

Signály

• data jsou přenášena pomocí (elektromagnetických) signálů
• je nutné provést převod binárních dat na signál

signál -- časová funkce reprezentující změny fyzikálních vlastností přenosového média

• analogový signál -- spojitý v čase, šíření po vodiči nebo bezdrátově
• digitální signál -- diskrétní (nespojitý) v čase, šíří se pouze po vodiči

Defekty signálů

• slábnutí -- ztráta energie, příčina: odpor vodiče
• zkreslení -- ztráta tvaru, příčina: různá rychlost šíření signálů na různých frekvencích
• šum -- příčina: vliv cizí energie

repeater (opakovač) -- přijímá poškozený signál a přeposílá ho dál opravený

Přenos dat

Analogový přenos binárních dat

• modulace
• amplitudová, frekvenční nebo fázová modulace
• modem = MOdulátor + DEModulátor

Digitální přenos binárních dat

• transformace kódování
• kódování -- binární data -> digitální signál
• problém: synchronizace vysílače a přijímače (nerozeznáme počet 1 v dlouhé posloupnosti 111...)

přímé kódování -- 0 je 0, 1 je 1, bez možnosti synchronizace

NRZ kódování -- dva signály, jeden přenáší data a druhý mění amplitudu, pokud následující bit == 1

kódování Manchester -- pokles amplitudy == 0, nárůst amplitudy == 1, nižší efektivní přenosová kapacita, plná samosynchronizovatelnost

kódování 4B/5B -- uměle zavedená redundance, umí detekovat chyby

Přenosová média

• prostředí pro činnost fyzické vrstvy
• voděná -- fyzický kanál mezi dvěma zařízeními (kroucená dvojlinka, koaxiál, optické vlákno...)
• nevoděná -- nepoužívají fyzický vodič, signály se šíří éterem (rádiové, mikrovlnné či infračervené vysílání...)

Multiplexning

• technika sdílení dostupné přenosové kapacity přenosového média souběžnými komunikacemi
• lze uplatnit především u optických a bezdrátových přenosů
• pro analogové signály:
  • Frequency-Division Multiplexing (FDM) -- stanice vysílající v éteru na různých frekvencích
  • Wave-Division Multiplexing (WDM) -- FDM pro optická vlákna, různé vlnové délky (každá barva reprezentuje jeden kanál)
• pro digitální signály:
  • Time-Division Multiplexing (TDM) -- v jeden okamžik vysílá pouze jeden vysílač, střídají se, nutno dobře synchronizovat

Linková vrstva (vrstva datového spoje)

• na úrovni LAN
• přijímá pakety do síťové vrstvy a transformuje je do rámců
• přenáší rámce mezi komunikujícími uzly, které jsou určeny MAC adresami
• zaručuje spolehlivost přenosu (vynucení opakování chybně přenesené informace)
• brání zahlcení cílového uzlu
• řídí přístup uzlů k sdílenému přenosovému médiu
• detekuje a opravuje chyby
  • Error Detection, Automatic Request for Retransmission (ARQ)
  • Forward Error Correction (FEC) -- samoopravné kódy (např. Hammingův kód viz. MB104)
• kolizní doména

Služby

• tvorba rámců (Framing) -- balení paketů ze síťové vrstvy do rámců
• adresování (Addressing) -- fyzické/MAC adresy
• chybové řízení (Error Control) -- detekce a korekce chyb z fyzické vrstvy
• řízení toku (Flow Control) -- zabraňuje zahlcení příjemce (stop-and-wait, sliding-window)
• řízení přístupu k médiu (Medium Access Control - MAC) -- eliminace kolizí při násobném vysílání

Tvorba rámců, adresace

• Ethernetový rámec:
  • preambule (identifikace počátku rámce)
  • cílová adresa
  • zdrojová adresa
  • typ
  • data
  • CRC (Cyclic Redundancy Check) -- cyklický redundantní součet

Chybové řízení

• chyby (změna hodnot bitů) vznikají na fyzické vrstvě
• na linkové vrstvě probíhá detekce a korekce
• vysílač přidá redundantní kontrolní bity, přijímat podle nich zkontroluje data
• Error Detection, Automatic Request for Retransmission (ARQ) -- detekce & opakování přenosu
• Forward Error Correction (FEC) -- detekce & oprava (např. Hammingův kód)

Kódy pro detekci chyb

• sudá/lichá parita
• cyklické kódy s kontrolní redundancí (CRC - Cyclic Redundancy Check) -- viz MB104 (n,k)-kódy, spolehlivě opravuje jednoduché chyby

Řízení přístupu k médiu (MAC - Medium Access Control)

• cíl: eliminovat kolize
• neřízený, řízený nebo multiplexově-orientovaný přístup

Protokoly neřízeného přístupu

• Aloha -- stanice vysílá kdykoli má připravený rámec, při kolizi počká náhodou dobu a pak to zkusí znovu, neefektivní
• CSMA/CD -- vysílá jen když je klid, používá se v LAN Ethernetu, nelze použít v nevoděném médiu
• CSMA/CA -- obcházení kolizí, použitelné v nevoděném médiu

Protokoly řízeného přístupu

• stanice smí vysílat, pouze když získá svolení
• rezervace
• vyzývání
• předávání příznaku

Protokoly multiplexově-orientované přístupu

• v médiu se přenáší víc signálů najednou
• FDMA -- frekvence
• TDMA -- čas

L2 sítě

• lokální počítačové sítě (LANs)

topologie -- uspořádání stanic na médiu

kolizní doména -- určena stanicemi, které sdílí přenosové médium, při souběžném vysílání nastává kolize

Sběrnicová topologie (bus)

• relativně snadná na instalaci
• kolizní doména zahrnuje všechny připojené stanice
• protokol CSMA/CD pro řízení přístupu k médiu
• při výpadku kabelu vypadne celá síť

Kruhová topologie (ring)

• zprávy putují v jednom směru
• kolizní doména zahrnuje všechny připojené stanice
• právo vysílat se určuje metodou peška
• při výpadku kabelu nebo stanice vypadne celá síť

Hvězdicová topologie (star)

• centrální bod (hub, bridge, switch)
• obtížnější na instalaci
• kolizní doména závisí na propojovacím bodu
  • hub (L1) -- všechny připojené stanice
  • bridgle, switch (L2) -- pouze sousedící stanice
• při výpadku kabelu vypadne pouze dané zařízení

Budování L2 sítí

bridge (můstek) -- transparentní propojení sítí, zabraňuje šíření kolizí, všechen provoz prochází můstkem

• switch -- víceportový můstek

• založena na MAC adresách

• můstek se učí umístění jednotlivých stanic (Backward Learning Algorithm) -- nutné pro správné přepínání rámců

Distribuovaný Spanning Tree Algorithm

• cíl: zabránit cyklům (nepoužívat některé porty můstků)
• všechny můstky periodicky posílají informaci o své vzdálenosti od kořene
• pokud můstek obdrží zprávu od souseda, upraví svoji definici nejlepší cesty (kořen s menší adresou, menší vzdálenost)
• výběr kořenového můstku
  • všechny můstky se prohlásí za kořeny
  • rozešlou informace a vyberou ten s nejnižším ID
• výběr kořenových portů
  • každý můstek si vybere svůj nejkratší port ke kořenovému můstku
  • ostaní porty vypne
• výběr aktivních/neaktivních portů
  • kořenový můstek nastaví všechny své porty jako aktivní
  • na spojích, kde nejsou kořenové porty, se vyměňují informace
  • ten s nižším můstkovým ID se vypne

Síťová vrstva

• potřebujeme ji k vybudování geograficky rozlehlé sítě
• multicast

Poskytované služby

• propojování fyzických sítí (Internetworking) -- iluze uniformní WAN
• tvorba paketů (Packetizing) -- přijaté segmenty transformuje na pakety (IP protokol)
• Fragmentace paketů (Fragmenting) -- rozděluje segmenty na pakety (délka závisí na vlastnostech/schopnostech sítě)
• Adresace (Addressing) -- poskytuje jednoznačnou identifikaci každého zařízení (IP adresy)
• Mapování IP adres na/z fyzické adresy (Address Resolution) -- mapuje síťové adresy na fyzické adresy (ARP, RARP protokoly)
• Směrování (Routing) -- hledání nejvhodnější cesty mezi komunikujícími entitami
• Metoda základního monitoringu stavu sítě (Control Messaging) -- základní informace o nedoručitelnosti paketů, stavu sítě, uzlů atp. ICMP protokol

Internetworking

• propojování jednotlivých sítí ve větší celek
• tvoří se hierarchie
• důvody: zpřístupnění, zvětšení dosahu služeb, optimalizace fungování sítě, překonání technických překážek

internet (zkráceno z internetwork) -- jakékoli propojení dvou a více sítí

Internet -- konkrétní síť, celosvětový Internet

směrovač (router) -- propojovací zařízení

Modely zajištění síťových služeb

• přepínání okruhů (Circuit Switching) -- přímé spojení mezi odesílatelem a příjemcem, bez paketů, spojovaná služba
• přepínání paketů (Packet Switching) -- zasílání paketů (nezávislých datových jednotek), virtuální kanály, spojovaná služba
• datagramový přístup -- nespojovaná komunikace

Adresace

• jednoznačná identifikace každého zařízení připojeného k Internetu
• systematické přidělování adres -> snadné směrování
• IPv4 32 bitů -- čtyři bloky (každý s max. hodnotou 255) oddělené dvojtečkou
• IPv6 128 bitů

IPv4: typy adres

• Unicast (individuální) adresy -- jediný příjemce/odesílatel
• Broadcast adresy -- více příjemců v rámci LAN, identifikace odesílatele je unicastová
• Multicast (skupinové) adresy -- příjemcem je každý, kdo o data projevil zájem, identifikace odesílatele je unicastová

IPv4: Classful Addressing

• první metoda přidělování adresního prostoru
• 5 tříd adresního prostoru
• třída A -- 2^7 sítí, každá má 2^24 uzlů
• třída B -- 2^14 sítí, každá má 2^16 uzlů
• třída C -- 2^21 sítí, každá má 2^8 uzlů
• třída D -- multicastové adresy
• třída E -- rezervní prostor

adresa sítě (NetID) -- identifikuje síť, využívá se pro směrování

adresa uzlu/rozhraní (HostID) -- identifikuje jedinečný uzel v síti NetID

př. HostID = 147.251.48.1 -> třída B: NetID = 147.251.0.0

• problém: nedostatečné granularita -- plýtvání adresním rozsahem
• řešení: více síťových adres menší třídy
• nový problém: nárůst směrovacích tabulek (jejich prohledávání má lineární složitost)
• nové řešení:
  • subnetting -- rozdělení dle organizačních složek v rámci organizace (rozložení mezi jednotlivé fakulty), tříúrovňová hierarchie (adresa sítě, podsítě a uzlu)
  • superentting -- agregace původně samostatných síťových adres v jednu větší, sníží velikosti směrovacích tabulek, protože se bude jednat o souvislý blok adres určité třídy
• identifikace bitů, které označují síť -- princip masky sítě (1 na místech, kde je síťová adresa, 0 relativní adres v rámci sítě, použijeme operaci &&)

IPv4 Classless Addressing

• zobecnění a rozšíření subnettingu a supernettingu
• variabilní délka bloku obsahujícího adresu sítě
• identifikace sítě: adresa + maska sítě
• hierarchické přidělování adres

Classless Inter-Domain Routing (CIDR)

• konvence pro použití IP adres, význam masek, subnettingu a supernettingu
• CIDR bloky (namísto tříd A, B, C), jejichž velikost určuje maska
• adresy závislé na poskytovateli (při změně je nutné přečíslovat)
• snížení tempa vyčerpání adres

IPv4: Network Address Translation (NAT)

• postup pro snížení tempa vyčerpání adres
• skrytí vnitřní sítě za jednu/více externích adres
• způsobuje ochranu vnitřní sítě
• překlad adres při odchodu ze sítě je triviální
• pro překlad adres při příjmu (kterému stoji paket náleží?) slouží překladové tabulky

IPv6: adresy

• 128 bitů
• hexadecimální zápis, 8 oddílů (po dvou bytech)
• zkracování zápisu: vynechání počátečních nul, vynechání sekvence nulových bloků (pouze jedné!)
• hierarchie definována RFC 3587:
  • n-bitů: globální směrovací systém
  • 64-n bitů: adresa podsítě
  • 64 bitů: adresa rozhraní
• k popisu využíváme CIDR, třídy neexistují
• typy adres (broadcast se nevyužívá):
  • unicast
  • multicast
  • anycast (data se doručí pouze nejbližšímu příjemci!)
• IP datagram
• ARP (Adress Resolution Protocol) -- slouží k mapování dynamických adres v IPv4
• na zkoušce bývá: porovnání IPv4 a IPv6 hlaviček

Interakce L3 se spojovou vrstvou (L2)

• hop-by-hop mechanismus doručení dat v IP sítích
• předání/doručení na základě fyzických (MAC) adresy
• příjemce je na stejné LAN jako odesílatel -- IP datagram obsahuje: IP adresu příjemce, rámec L2 vrstvy a MAC adresu příjemce
• příjemce je na jiné LAN než odesílatel -- IP datagram obsahuje: IP adresu příjemce, rámec L2 vrstvy a MAC adresu směrovače; směrovač jej vloží do nového rámce a pošle dál

statické mapování -- statická tabulka párů IP a MAC adres

dynamické mapování -- ARP (Address Resolution Protocol)

ARP protokol

• zjištění MAC adresy na základě IP

1. ARP request paketu (IP, MAC odesílatele, IP příjemce) všem uzlům v LAN (broadcast)
2. odpoví ten uzel, jehož IP adresa se shoduje v hledanou
3. uzel odpovídá ARP reply paketem

• dříve se využíval RARP (Reversed Address Resolution Protocol) ke zpětnému překladu MAC adres na IP adresy

IP protokol

• nejrozšířenější protokol síťové vrstvy
• zajišťuje transport datagramů na místo určení pře mezilehlé směrovače
• host-to-host delivery
• datagramový přístup, nespojovaná komunikace
• nespolehlivá služba
• doplňujíc ho podpůrné protokoly (ICMP, ARP, RARP, IGMP), které např. ošetřují nestandardní situace
• Internet Protocol verze 4 (IPv4) -- 1981, RFC 791
• Internet Protocol verze 6 (IPv6) -- 1998, RFC 2460

IP protokol verze 4

• version (VER)
• header length (HLEN)
• differentiated services/type of services (DS/TOS) -- třída datagramu v rámci kvality služby (QoS), slouží k rozlišení důležitých datagramů
• total length -- v bajtech
• identification -- identifikace původního datagramu
• flag -- 3 bity: rezerva, do-not-fragment bit (nesmí být fragmentován), more-fragment bit (není posledním fragmentem)
• offset -- pozice fragmentu v původním datagramu, jednotka 8 B
• time to live (TTL) -- vkládá se zhruba 2× větší číslo, než je vzdálenost mezi uzly, při průchodu se dekrementuje
• protocol -- identifikace protokolu vyšší vrstvy, kterým má být datagram doručen
• header checksum -- kontrolní součet hlavičky
• source IP address -- 32-bitová IPv4 adresa odesílatele
• destination IP address -- 32-bitová IPv4 adresa příjemce
• options -- volitelná součást určená pro případná rozšíření
• data

Maximum Transfer Unit (MTU) -- maximální velikost dat (total size datagramu) které lze přenést využitím L2 protokolem

Fragmentace datagramu

• pokud je datagram příliš velký, dojde k fragmentaci
• datagram se rozdělí na několik menších datagramů
• využívají se pole Identification, Flags a Offset
• fragmentace probíhá na zdrojovém uzlu nebo na směrovačích
• datagram se skládá pouze na cílovém uzlu (riziko ztráty fragmentu)

ICMP

• RFC 792
• doprovodný protokol k IP protokolu
• poskytuje informace o chybách při přenosu IP datagramů a informace o stavu sítě
• zprávy jsou baleny do IP protokolů, hodnota Protocol nastavena na 1
• zprávy obsahují část paketu, který způsobil chybu nebo se váže na odpověď
• využití:
  • ping -- ICMP Echo request/reply
  • traceroute -- ICMP Time exceeded
• ochrana proti rekurzivnímu generování -- negeneruje se při:
  • ICMP chybě
  • broadcast nebo multicast zprávě
  • poškození IP hlavičky
  • chybě fragmentu (kromě prvního)
• generování zpráv je často výkonnostně omezeno

Příklady zpráv

• chyby
  • destination unreachable
  • time exceeded -- vypršení TTL
• stav sítě/uzlu
  • echo request/reply -- požadavek na odpověď

IP protokol verze 6

Důvody vzniku:

• rychlé vyčerpání IPv4
• slabá podpora přenosů aplikací reálného času
• žádná podpora zabezpečení komunikace na úrovni IP
• žádná podpora autokonfigurace zařízení
• žádná podpora mobility
• ...

Vlastnosti

• rozšířený adresový prostor -- 128 bitů
• jednodušší formát hlavičky
• možnosti dalšího rozšíření
• podpora přenosů reálného času
• podpora zabezpečení přenosu -- autentizace, šifrování a verifikace integrity dat
• podpora mobility -- domácí agenti
• podpora autokonfigurace zařízení -- stavová a bezstavová konfigurace

Základní hlavička datagramu

• velikost 40 B
• neobsahuje: kontrolní součet (není), volby a fragmentační informace (v rozšiřující hlavičce)
• Version (VER)
• Priority (PRI)
• Flow label
• Payload length -- celková délka bez základní hlavičky
• Next header -- hlavička transportního protokolu nebo rozšiřující hlavička
• Hop limit -- zhruba odpovídá TTL v IPv4
• Source/Destination address

Rozšiřující hlavičky

• Hop-By-Hop Options -- volba pro všechny
• Routing -- směrování
• Fragment -- fragmentace
• Encapsulating Security Payload (ESP) -- autentizace datagramu, nebo šifrování obsahu
• Authentication Header (AH) -- autentizace datagramu
• ...

Zabezpečení IP datagramů

IPSec - implementace zabezpečené komunikace na síťové vrstvě, povinné v IPv6, poskytuje možnost šifrování a autentizace dat

transportní režim ochrany -- vloží se rozšiřující bezpečností hlavičky

tunelující režim ochrany -- datagram se zabalí jako data do nového datagramu s bezpečnostními hlavičkami

bezpečnostní asociace (Security Association, SA) -- virtuální spojení dvou počítačů, které zajišťuje zabezpečený přenos dat, používá AH, nebo ESP, o správu se stará Internet Key Exchange (IKEv2) Protocol (RFC 4306)

Podpora mobility

• myšlenka domovské sítě
• Home Address -- adresa, pod kterou je stroj trvale dostupný
• Care-of Address -- měnící se adresa
• domácí agent -- směrovač v domácí síti, prostřednictvím kterého je zařízení trvale dosažitelné

Podpora autokonfigurace

• stavová konfigurace
• bezstavová konfigurace

Podpora fragmentace

• stejné jako u IPv4, ale fragmentuje pouze zdrojový uzel
• musíme zjistit maximální velikost paketů
• mechanismus Path MTU Discovery

ICMPv6

• stejný mechanismus jako ICMPv4, navíc zahrnuje funkcionalitu ARP a IGMP
• hlavička: hodnota 58 v položce Next header
• chybové zprávy interval: (0,127) a informační zprávy interval: (128,225)

Mechanismy pro podporu přechodu IPv4 -> IPv6

• dvojí zásobník -- podpora IPv4 i IPv6
• tunelování -- IPv6 zabaleno do IPv4 datagramu
• translátory -- překládají IPv4 do IPv6 a naopak

Směrování (Routing)

= proces nalezení cesty mezi dvěma komunikujícími uzly

• data vyšších vrstev jsou vložena do datagramů, které pak putují sítí nezávisle
• cestu ovlivňují statické (topologie sítě) a dynamické faktory (zatížení sítě)
• síť je matematický graf -- uzly jsou směrovače, hrany jsou jejich propojení, ohodnocení hran reprezentuje cenu komunikace -> hledáme minimální cestu v grafu
• cena komunikace: kapacita, zpoždění, využití, reálná cena za využití linky
• hledáme optimální trasu a dopravujeme datový paket adresátovi
• hop-by-hop -- posouváme paket blíže cíli
• směrování -- proces nalezení/vytváření směrovacích tabulek (globální činnost)
• zasílání -- průchod paketů směrovaček (lokální činnost)

směrovací tabulky -- datová struktura obsahující cesty k prefixům, hledáme nejdelší prefix vyhovující požadavku (Longest-prefix Match Algorithm), lokální představa o topologii

• je obtížné mít globální přehled o topologii sítě (složité získat, složitější udržovat aktuální)
• Internet směruje: distribuovaně, "krok za krokem", deterministicky, jednocestně, dynamicky

Základní přístupy

Statické (neadaptivní) směrování

• jednodušší, málo flexibilní, vhodné pro statickou topologii
• cesty jsou vytvářeny ručně
• při poruše nemůže být ustanovena alternativní trasa

Dynamické (adaptivní) směrování

• složité algoritmy
• musíme pravidelně aktualizovat směrovací tabulky (potřebujeme protokol)
• možnost dočasné nekonzistence
• nezaručuje pořadí doručení

Centralizované

• RCC (Routing Control Center) -- řídí síť, vytváří směrovací tabulky pro všechny na základě jejich statusu
• výhody: globální informace -- optimální řešení, ulehčení práce směrovačům
• nevýhody: závislé na centru, nelze použít pro velké sítě, pomalé

Izolované

• každý uzel se řídí sám
  • náhodná procházka -- paket je zaslán do náhodné linky
  • horký brambor -- paket je zaslán do linky s nejkratší frontou
  • záplava -- paket je poslán všem, kromě cesty, ze které přišel (zátěž sítě, ale najde optimální cestu)
  • zpětné učení -- pamatujeme si vzdálenost, kterou paket urazil (víme délku od odesílatele)

Distribuované

• kooperace skupin uzlů, které sdílí směrovací informace -> mapa sítě
• dohodnutí směrovacího algoritmu
• vhodné i pro rozlehlé sítě -- Internet

Směrovací algoritmy

• zprostředkovávají funkcionalitu směrování
• tvorba a údržba směrovacích tabulek, doručení dat
• spojované (virtuální kanály) × nespojované služby (datagramy)
• centralizované (jeden uzel) × distribuované (každý uzel) algoritmy

směrovací protokol -- definice přesných pravidel komunikace a formátu zpráv nesoucích informace

Požadované vlastnosti směrovacího algoritmu

• správnost
• jednoduchost
• efektivita
• škálovatelnost
• robustnost
• stabilita
• spravedlivost
• optimálnost

Distribuované směrování

Distance Vector

• algoritmus Bellman-Ford
• sousední směrovače si pravidelně vyměňují kopie směrovacích tabulek
• update informací a distance vektor čísla -- počet hopů k dané síti
• všechny informace jen sousedům
• trojce (cílová síť, adresa následujícího směrovače, vzdálenost do cílové sítě)
• pomalá konvergence -- riziko vzniku smyček, řešení: dělení horizontu (směrovač neposílá informaci o cestě uzlu, od kterého se informaci dozvěděl)
• mnoho režijních dat

Protokol RIP

• RIPv1, RIPv2 (navíc např. autentizace směrovacích informací)
• sítě identifikovány s využitím mechanismu CIDR
• metrika -- počet hopů (sousední = 1, nekonečno = 16)
• každých 30 sekund se zasílají informace
• vhodné pro malé sítě a stabilní linky
• nevhodné pro redundantní sítě

Link State

• směrovače zasílá informace o lince, na kterou je připojen
• směrovače získají kompletní topologii sítě (broadcast)
• následné počítání nejkratší cesty (např. Dijkstra)
• informace o svých sousedech všem
• rychlá konvergence, zvládá rozlehlé sítě
• složitější algoritmus, větší nároky na CPU a paměť směrovače

Protokol OSPF (Open Shortest Path First)

• nejpoužívanější LS protokol
• metrika: cena (1--65535, podle šířky pásma)
• rozšíření: autentizace zpráv, směrovací oblasti (další úroveň hierarchie), load-balancing (více cest se stejnou cenou)

Link State vs. Distance Vector

	Distance Vector	Link State
složitost	změna ceny linky se propaguje jen nejbližšímu sousedovi a těm, které to ovlivní	změna ceny linky se propaguje na všechny uzly, O(nE) zpráv
rychlost konvergence	count-to-infinity problém (směrovací cykly), může být pomalejší než LS	algoritmus O(n^2), , zasílá O(nE) zpráv, trpí na oscilace
robustnost	nesprávný výpočet je šířen sítí	špatný výpočet se šíří jen sousedům
použití	menší sítě	menší i rozsáhlé sítě

Hierarchie směrování

• každý uzel celý Internet
• každá brána zná celý Internet
• hierarchické členění Internetu: každá brána zdá svoji podsíť, páteřní brány znají celý Internet
• koncepce autonomních systémů

Autonomní systémy

• cíl: snížení směrovací režie, zjednodušení správy sítě
• každý autonomní systém (doména) má ASN (Autonomous System Number) -- 16bitové id, které přiřazuje ICANN a popisuje ho RFC 1930
• domény -- např. CESNET, PASNET
• děleny podle způsobu připojení do sítě

Stub AS

• připojen pouze jednomu AS
• hraniční směrovač -- výchozí pro všechny sítě ostatní sítě

Multihomed

• připojen minimálně ke 2 dalším AS, ale neumožňuje přenos mezi nimi

Transit AS

• připojen minimálně ke 2 dalším AS a umožňuje přenos mezi nim

Směrování v AS

• intradoménové směrování -- směrování uvnitř domény (Interior Gateway Protocols (IGP) např. RIP, OSPF)
• interdoménové směrování -- směrování mezi doménami (Exterior Gateway Protocols (EGP) např. EGP, BGP-4)
• vnitřní a vnější protokoly musí spolupracovat
• interní a hraniční směrovače
• směrovací pravidla mohou zakazovat směrování přes nějaký AS v přídě výpadku (zohledňují se lokální požadavky)

Protokol EGP (Exterior Routing Protocol)

• Distance Vector přístup
• cílem je dosažitelnost nikoli efektivita
• navržen pro stromovou strukturu Internetu
• nepoužívá se, nepodporuje redundanci a neumí pracovat s cykly

Protokol BGP (Border Gateway Protocol)

• Path Vector směrování -- posílají se celé cesty (detekuje cykly, umožňuje definici pravidel), preferuje kratší cesty, řeší pouze dostupnost
• umožňuje definici pravidel směrování
• pracuje nad TCP
• používá CIDR pro agregaci cest

Multicastové směrování - IP Multicasting

• vysíláme stejnou zprávu skupině příjemců
• nutnost replikace dat
• unicast (ke každému příjemci putují data zvlášť) × multicast (data se po cestě dělí)
• stream videa, data produkovaná přístrojem, videokonference,...

IP Multicast

• každým spojem jde nanejvýš jedna kopie dat
• hop-by-hop
• doručení nezaručeno
• rozsah šíření je omezen TTL
• identifikace skupiny pomocí multicastové adresy
• výhody: škálovatelnost, nezatěžování sítě kopiemi
• nevýhody: problematické účtování, problém se zajištěním doručení, snadný terč útoku (DoS, DDoS), nelze zjistit přijímající

Source Based Tree

• aktivita shora od zakládajícího
• periodický broadcast
• ořezávání větví bez členů
• omezení šířky TTL
• pro úzce lokalizované skupiny
• protokoly: DVMRP (RIP), MOSPF (OSPF) PIM-DM

Shared Tree (Core Based Tree)

• ustanovené jádro - body setkání (MP)
• zájemce o skupinu kontaktuje MP
• aktivita zdola od příjemce
• redukce broadcastu -> lepší škálování
• závislost na dostupnosti jádra
• protokoly: CBT, PIM-SM (protokolově nezávislé)

Protokoly

Internet Group Management Protocol (IGMP)

• správa skupiny v rámci LAN
• IGMP (RFC 1112), IGMPv2 (RFC 2236)
• správa členství
• přihlášení ke skupině, odhlášení ze skupiny, monitoring skupiny

Distance Vector Multicast Routing Protocol (DVMRP)

• rozšíření unicastového DV směrování, využívá informací získaných RIP protokolem
• 3 přístupy pro budování stromu:
  • Reverse Path Forwarding (RPF)
  • Reverse Path Broadcasting (RPB)
  • Reverse Path Multicasting (RPM)

Multicast Open Shortest Path First (MOSPF)

• rozšíření unicastového OSPF protokolu
• uzly počítají strom cest z kořene, kterým je zdroj multicastového vysílání

Protocol Independent Multicast - Dense Mode (PIM-DM)

• použití v prostředí, kde je pravděpodobné, že většina směrovačů se bude účastnit multicastu
• využívá RPF přístup
• podobný DVMRP, ale nevyžaduje RIP

Core-Based Tree (CBT)

• zdroj je kořen budovaného stromu
• Rendezvous Router -- bod setkání, zvolen pro každý region AS
• uzly v případu zájmu kontaktují bod setkání (strom se buduje od listů)

Protocol Independent Multicast { Sparse Mode (PIM-SM)

• použití v prostředí, kde je málo pravděpodobné, že většina směrovačů se bude účastnit multicastu
• podobný CBT, ale vytváří záložní Randezvous Pointy pro případ výpadků
• v případě potřeby přepne do strategie Source-based Tree

Transportní vrstva

• přijímá data odesílající aplikace a transformuje je do segmentů
• segmenty předává cílové aplikace
• zajišťuje doručení dat (segmentů) mezi komunikujícími aplikacemi/procesy
  • zajišťuje spolehlivost, poskytuje logický kanál
  • process-to-process delivery
• nejnižší vrstva poskytující end-to-end služby

Služby

• tvorba paketů (Packetizing) -- aplikace posílá pakety s transportní hlavičkou
• řízení spojení (Connection Control) -- spojované a nespojované služby
• adresace (Addressing) -- označení aplikací pomocí portů IPadresa:port
• zajištění spolehlivosti přenosu (Reliability) -- řízení toku (Flow Control), řízení chyb (Error Control)
• řízení zahlcení sítě (Congestion Control)
• zajištění kvality služby (Quality of Service, QoS)

Adresace na L4

• číslo portu -- adresa služby, 16bitové číslo (0--65535)

well-known porty

• 0--1023
• známé konkrétní služby
• přiděluje organizace IANA

registrované porty

• 1023--49151
• volně použitelné, jdou zaregistrovat

dynamické porty

• 49151--65535
• většinou zdrojové porty odesílacích aplikací

multiplexing -- na straně odesílatele je mnoho aplikací a jeden transportní protokol -- identifikace zdrojovým portem

demultiplexing -- na straně příjemce jeden transportní protokol, vybíráme vhodnou aplikaci pro doručení, která je identifikována cílovým portem

Řízení spojení

• spojované služby -- číslované pakety s potvrzením
• nespojované služby -- nečíslované pakety bez potvrzení

UDP protokol (User Datagram Protocol)

• nejjednodušší transportní protokol poskytující nespojovanou nespolehlivou službu
• best-effort služba
• přenos bloku dat
• služby IP vrsty + process-to-process komunikace + jednoduchá kontrola chyb
• zajištění spolehlivosti přenosu je na aplikaci
• jednoduché, minimální režie (nespojované, neuchovává stavové informace na komunikujících stranách, malá hlavička)
• aplikace: DNS (stačí jednoduchá komunikace), TFTP (má interní řízení toku a kontrolu chyb), real-time přenosy, multicastové přenosy, aktualizace směrovacích tabulek RIP protokolem,...

Hlavička paketů

• zdrojový port (source port)
• cílový port (destination port)
• délka UDP paketu (length)
• kontrolní součet (checksum)

Mechanismy zajištění spolehlivého přenosu

• L2 vrstva kontroluje chyby pouze mezi uzly, nikoli v nich
• mechanismus potvrzování -- pakety jsou sekvenčně číslovány
  • pozitivní potvrzování -- potvrzení přijetí
  • negativní potvrzování -- potvrzení nepřijetí/ztráty
• ARQ (Automatic Repeat reQuest) -- znovuposlání dat

Stop-and-Wait ARQ

• nejjednodušší
• odesílatel čeká na potvrzení, pokud nastane timeout, pošle znovu
• pakety číslovány střídavě 0, 1...
• pozitivní potvrzování s číslem dalšího očekávaného paketu
• piggybacking -- u obousměrného přenosu posíláme data i s ACKem
• nevýhoda: lze posílat jen jeden paket

Go-Back-N ARQ

• číslujeme sekvencí a nečekáme na potvrzení
• mechanismus plovoucího okna (sliding window) -- uchovávání informace o odeslaných/přijatých paketech
• okno odesílatele má velikost max. 2^počet_prvků_sekvence
• okno příjemce má velikost 1 bit (očekáváme jeden určitý paket)
• kumulativní potvrzování
• nevýhoda: neefektivní pro vysoce ztrátové linky

Selective-Repeat ARQ

• číslujeme sekvencí
• rozšíření okna příjemce -- bufferování out-of-order paketů
• kumulativní pozitivní a negativní potvrzování
• okno odesílatele má velikost max. 2^(počet_prvků_sekvence-1)

TCP protokol (Transmission Control Protocol)

• spojované služby
• plně spolehlivý
• přenos proudu bytů
• handshake
• pouze point-to-point spojení (nepodporuje multicast)
• multiplexing, demultiplexing a detekce chyb stejné jako v UDP
• TCP dostane od aplikace proud bytů, segmentuje je, opatří hlavičkou a předá síťovému protokolu (vytváří iluzi roury pro aplikace)

Služby

• přenos proudu bytů
• odesílací a přijímací buffery -- kompenzují rozdílné rychlosti a řídí rok chyb
• segmentace dat -- velikost segmentu omezena MSS (Maximum Segment Size), určuje TCP nebo OS, přidání hlavičky, očíslování bytů

Hlavička segmentů

• zdrojový port
• cílový port
• sekvenční číslo
• číslo potvrzovaného segmentu -- číslo dalšího očekávaného bytu
• délka hlavičky
• rezervovaná pole
• řídící data -- 6 bitů identifikující řídící informace
• velikost okna
• kontrolní součet
• urgentní data -- zasílání dat mimo pořadí
• volby

Správa spojení

• full-duplexní přenos -- obě strany musí iniciovat spojení (třícestný handshake)
• ukončení spojení je iniciováno jednou stranou a musí být uzavřeno oběma stranami

Řízení chyb

• segment může být poškozený, ztracený, duplikovaný nebo out-of-order
• kontrolní mechanismy: kontrolní součty, potvrzování přijatých segmentů, timeout (většinou timeout = 2×RTT Round-Trip Time)

Řízení toku (Flow Control)

• příjemce informuje odesílatele o stavu svého bufferu

Řízení zahlcení (Congestion Control)

• přizpůsobení rychlosti vysílání kapacitě sítě
• závisí na informacích o síti
• zahlcení nastává ve frontách směrovačů/switchů
  • proaktivní přístup -- snaha předcházet zahlcení
  • reaktivní přístup -- při zahlení snížit rychlost vysílání
• cwnd (okno zahlcení) -- kolik dat lze do sítě zaslat, aniž by došlo k zahlcení

AIMD (Additive Increase, Multiplicative Decrease)

• odhad cwnd
• fáze Slow Start
• fáze Additive Increase
• fáze Multiplicative Decrese

Varianty TCP

• liší se způsobem odhadu kapacity sítě
• např. TCP Tahoe, TCP Reno, TCP Vegas (monitoruje RTT), TCP NewReno, TCP Hybla, TCP BIC, TCP CUBIC, Compound TCP...

Vylepšení TCP

• Víceproudové TCP -- vylepšení při izolovaných výpadcích paketů, používá se na gridech

Konzervativní rozšíření TCP

• GridDT -- sbírka ad-hoc modifikací
• Scalable TCP
• High-Speed TCP (HSTCP)
• Early Congestion Notification (ECN)
• E-TCP
• FAST

Odlišné přítupy od TCP

• tsunami
• Reliable Blast UDP (RBUDP)
• XCP, SCTP, DCCP, STP, Reliable UDP

Kvalita služby (QoS)

• toky v TCP/IP jsou standardně obsluhovány se stejnou prioritou (best-effort service)

• v určitých případech chceme určité datové toky upřednostnit před jinými, poskytnout jim určitou kvalitu služby

• garantovaná přesnost, minimální zpoždění, omezení ztrátovosti

• nezbytné u real-time přenosů: operace na dálku, obsluha jaderné elektrárny, apod.

• základní parametry síťových toků:

  • spolehlivost (reliability)
  • zpoždění (latency)
  • rozptyl zpoždění (jitter)
  • přenosová kapacita (bandwidth)

• mechanismy zajištění kvality služby:

  • plánování
  • formování/omezování toků
  • prevence zahlcení

Plánování (Scheduling)

• souvisí s obsluhou vstupních/výstupních front na odesílateli, příjemci a vnitřních síťových prvcích
• struktura front a způsob manipulace ovlivňuje možnosti garance zpoždění

FIFO (FCFS)

• "Kdo dřív přijde, ten dřív mele."
• zvýhodnění agresivních proudů, bez podpory priority

Priority Queuing

• pakety jsou zařazeny pro prioritních tříd, každá třída má vlastní frontu
• pakety ve vyšší prioritní třídě mají přednost
• nevýhoda: pakety s nižší prioritou mohou vyhladovět (starvation)

Wighted Fair Queuing

• princip prioritní fronty
• každá fronta má váhu
• podle váhy je z fronty uvolněn příslušný počet paketů
• Round Robin obsluhování front
• řeší problém vyhladovění

Formování/omezování toků (Traffic Shaping)

• mechanismus pro řízení množství a rychlosti odesílaných paketů

average rate -- počet paketů, které lze zpracovat za určitý časový interval

peak rate -- maximální počet paketů, které lze poslat během krátkého časového intervalu (dočasně zvýšit počet posílaných paketů)

burst size -- maximální počet paketů, které lze poslat během extrémně krátkého časového intervalu (téměř naráz)

Leaky Bucket

• vyhlazování přenosu
• princip "děravého kyblíčku", nepravidelný tok vody je zprůměrován konstantním výtokem dírou v kyblíčku,
• pokud je kyblíček plný, nově příchozí pakety jsou zahozeny

Token Bucket

• umožnění krátkodobých špiček
• umožňuje shromažďování tokenů k okamžiku nečinnosti
• velikost kyblíčku ovlivňuje velikost krátkodobých špiček

Prevence zacyklení (Congestion Avoidance)

• pokud je fronta plná, nově příchozí pakety se zahazují
• může dojít k vlnám zahlcení napříč uzly (důsledek chování TCP protokolu)

Random Early Detection (RED)

• při určitém zaplnění fronty začne fronta zahazovat náhodné pakety -> zpomalení
• odstraňuje problém globální synchronizace

Weighted Random Early Detection (WRED)

• viz RED, ale zohledňuje prioritu paketů

Kvalita služby Internetu

• mechanismy zajištění kvality služby:

Integrované služby (Intergrated Services)

• ověření zdrojů
• rezervace zdrojů
• přenos dat
• rezervační protokoly: RSVP, YESSIR
• nevýhoda: problém se škálovatelností -- nutnost udržovat stav na vnitřních prvcích sítě

Rozlišované služby (Differentiated Services)

• označení priority paketů
• paket označen značkou do pole Type of Service (IPv4) nebo Traffic Class (IPv6)
• výhody: škálovatelnost, jednoduchost, žádné zpoždění způsobené rezervací

Relační vrstva

• správa relací (dialogů)
• jedno transportní spojení může zajišťovat více relací a naopak

relace = dialog -- spojení mezi dvěma koncovými účastníky na úrovni bezprostředně vyšší, než je vrstva transportní (analogie telefonního hovoru)

Služby relační vrstvy

• řazení dialogu
  • plně duplexní (TWS - Two-Way-Simultaneous)
  • poloduplexní (TWA - Two-Way-Alternate) -- využívá data token
  • simplexní (One-Way)
• synchronizace (Checkpointing) -- metoda kontrolních bodů (hlavní a vedlejší)

Protokoly

• SSL, SDP, RPC, NetBIOS, H.245, ASP

Prezentační vrstva

• konverze přenášených dat do jednotného formátu
• různé architektury se liší vnitřní reprezentací dat
  • EBCDIC kód × ACII kód apod.
  • jedničkový doplňkový kód × dvojkový doplňkový kód
  • Little Endian × Big Endian
• komunikující strany převedou data na společný "mezitvar"
• pro popis dat se používá jazyk ASN.1 (Abstract Syntax Notation version 1)
• další možné služby prezentační vrstvy: šifrování a komprese dat

Protokoly

• AFP, ASCII, EBCDIC, LPP, NDR, XDR, X.25 PAD

Aplikační vrstva

• rozhraní pro uživatele (aplikační programy)
• zahrnuje síťové aplikace/programy a aplikační programy
• aplikační protokoly jsou součástí síťových aplikací a definují formu komunikace mezi aplikacemi
• aplikační protokoly definují:
  • typy zpráv (request/response)
  • syntaxi zpráv
  • sémantiku zpráv
  • pravidla kdy a jak aplikace zprávy vysílají

Základní členění aplikací

Komunikační modely

Client-Server

• komunikaci iniciuje klient (aplikační program ovládaný uživatelem)
• request-response mechanismus (ustanoví se spojení a uživatel vysílá požadavky na server)
• po ukončení komunikace se kanál uzavře
• zdroje jsou centralizovány
• WWW, FTP, DNS, SSH,...

Peer-to-peer

• jednotliví klienti komunikují přímo (uzly jsou si rovnocenné)
• uzly vzájemně sdílí své zdroje
• zdroje jsou decentralizovány
• sdílení zdrojů
• Gnutella, Skype, VoIP, BitCoin, BitTorrent,...

Tenký (thin) klient

• na straně klienta se vykonává minimum výpočetní logiky
• výhody: jednodušší, nižší nároky na HW
• nevýhody: menší škálovatelnost, vyšší objemy přenášených dat, Single point of failure (server)
• např. vzdálené terminály

Tlustý (fat) klient

• většina aplikační logiky probíhá na straně klienta
• výhody: menší nároky na server, nižší objem přenesených dat, možnost pracovat offline
• nevýhody: vyšší HW i SW nároky na klienta (paměť, disk, CPU)
• např. Firefox

Přístup k informacím

Pull model

• přenos dat iniciován klientem
• např. webové prohlížeče
• asymetrický datový tok, rozmanité požadavky na propustnost

Push model

• přenos dat iniciován serverem na znalosti uživatelových požadavků
• např. streaming multimédií
• jednosměrný datový tok, definované požadavky na propustnost

Vybrané síťové aplikace

Jmenná služba DNS (Domain Name System)

• služba pro překlad doménových jmen na IP adresy a zpět
• aisa.fi.muni.cz <-> 147.251.48.1
• plochý jmenný prostor -- jména bez vnitřní struktury, nepoužitelné ve větším systému (např. zverinecFIMUNIcz)
• hierarchický jmenný prostor -- jména s vnitřní strukturou, možnost decentralizované správy (např. zverinec.fi.muni.cz.)
• DNS maximální počet úrovní: 128
• každý uzel má label (63 znaků, popisuje daný uzel, kořenový uzel má label prázdný) a domain name (sekvence jmenovek, odděleny tečkou)
• základní domény: com, edu, gov, int, mil, net, org
• národní domény: cz, sk, pl, de

HTTP (Hypertext Transfer Protocol)

• protokol pro přístup k datům na WWW
• klient-server přístup
• typy dokumentů: statické, dynamické (obsah tvořen podle požadavků klienta), aktivní (JAVA aplikace běžící na straně klienta)

hypertext -- způsob nelineárního strukturování textu s použitím odkazů

URL (Uniform Resource Locator)

• specifikace "čehokoli" na Internetu
• method://host:port/path
• method -- protokol, který má být využit pro přístupu ke zdroji
• host -- uzel, kde se nachází informace
• port -- volitelné, využívá se, pokud je použit jiný než standardní port
• path -- cesta k informaci + parametry

SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)

• mechanismus pro posílání elektronické pošty v Internetu
• struktura zprávy:
  • obálka (envelope) -- adresa odesílatele, adresa příjemce, ...
  • zpráva (message) -- hlavičky (odesílatel, příjemce, předmět...) + tělo zprávy
• emailová adresa: lokální-část@doménové-jméno
• proces doručení elektronické zprávy:
  • doručení lokálnímu poštovnímu serveru -- ustanovení TCP spojení (port 25) s poštovním severem
  • předání emailu cílovému poštovnímu serveru -- SMTP protokol
  • předání/čtení emailu cílovým poštovním klientem -- protokol POP3 nebo IMAP4

Přenos souborů - FTP

• protokol pro přenos souborů mezi uzly
• vznikají 2 samostatná TCP spojení:
  • řídící spojení (port 21) -- otevřeno po celou dobu trvající relace, probíhá před ně řídící komunikace (o typu souboru, jeho vnitřní struktuře a přenosovém módu)
  • datové spojení (port 20) -- otevírá se pro každý přenášený soubor

Multimediální přenosy v datových sítích

• streamování uloženého/živého audia/videa, video konference, Internetová telefonie

Zpracování zvuku

• vzorkování a kvantování -- převod analog -> digitál
• zpracování digitálních dat -- ekvalizace, odstranění šumu, ozvěny,...
• komprese

Zpracování obrazu

• obraz -- elektromagnetické vlnění
• vzorkování a kvantování
• framerate = počet obrazových snímků za sekundu (25 fps pro lidské oko)

Základy síťové bezpečnosti

• bezpečná síť by měla nabízet služby:
  • Authentication (autentizace)
  • Authorization (autorizace)
  • Accounting (účtování)
• zabezpečená komunikace má důvěrnost, integritu a nepopiratelnost
• bezpečný (spolehlivý) systém:
  • dostupnost (availability)
  • spolehlivost (reliability))
  • zabezpečení (safety)
  • důvěrnost (confidentality)
  • integrita (integrity) -- vyhýbání se nepovoleným změnám systému
  • udržovatelnost (maintability)

autentizace -- řízení přístupu, oprávnění nebo odepření přístupu

accounting -- sledujeme, jak uživatelé využívají síťové služby

důvěrnost -- ochrana dat před neautorizovaným odhalením, zajištěno šifrováním

integrita -- ochrana dat před neautorizovanou modifikací

nepopiratelnost -- prokazatelnost odeslání či doručení zprávy

Zabezpečená síťová komunikace

kryptografie -- nauka o metodách utajování zpráv převodem do podoby, která je čitelná jen se s klíčem

Symetrická kryptografie

• jeden klíč
• výhody: nízká výpočetní náročnost, vhodné pro dlouhé zprávy
• nevýhody: sdílení tajného klíče
• např. DES, 3DES, IDEA,...

Asymetrická kryptografie

• kryptografie s veřejným klíčem
• veřejný a soukromý klíč
• výhody: neposíláme šifrovací klíč, veřejný klíč může znát každý
• nevýhody: rychlost
• např. RSA, DSA,...
• certifikát veřejného klíče -- ověření, kdo je opravdu držitelem veřejného klíče, obsahuje:
  • jméno vlastníka
  • hodnotu veřejného klíče
  • planost
  • podpis vydavatele certifikátu
• certifikační autorita -- vydává certifikáty, důvěryhodné organizace

Autentizace komunikujících stran

• autentizace heslem -- heslo je šifrováno sdíleným symetrickým heslem, negarantuje "čerstvost" hesla
• autentizace s využitím náhodných čísel
  • žádost o náhodné číslo
  • zaslání náhodné čísla
  • odeslání náhodného čísla zpět zašifrovaného symetrickým klíčem
• vzájemná autentizace s využitím náhodných čísel -- obousměrné

Šifrování

• zajištění důvěrnosti přenosu
• používá se symetrická kryptografie
• k přenesení klíče se použije asymetrická kryptografie, Diffie-Hellman

Digitální podpis

• zajištění integrity a nepopíratelnosti přenosu (a autentizaci stan)
• obrácený mechanismus asymetrické kryptografie: zpráva je podepsána soukromým klíčem a ověřena veřejným klíčem
• podepisuje se hash zprávy
• hashovací funkce musí být jednosměrná (z hashe nelze získat zprávu) a one-to-one (z různých zpráv nedostaneme stejný hash - je to málo pravděpodobné)
• např. SHA-256

Protokoly

• bezpečnostní koncepty lze realizovat na aplikační, transportní a síťové vrstvě

IP Security (IPSec)

• kolekce protokolů zajišťujících bezpečnou komunikace na síťové vrstvě
• protokoly:
  • Authenticatoin Header (AH) -- autentizace odesílatele a integrita
  • Encapsulation Security Paload (ESP) -- autentizace odesílatele, integrita, důvěrnost přenosu
• módy:
  • transportní mód -- IPSec hlavička se vloží mezi IP hlavičku a tělo zprávy
  • tunelovací mód -- IPSec hlavička se vloží před původní IP hlavičku a vygenerována nová IP hlavička
• výhody: zabezpečení datových toků mezi uzly, není třeba upravovat aplikace
• nevýhody: bez automatizovaných prostředků pro správu klíčů

Secure Sockets Layer (SSL)

Transport Layer Security (TLS)

• zabezpečení na transportní vrstvě
• HTTP -> HTTPS, FTP -> FTPS
• nevýhoda: nutnost úpravy aplikací

Pretty Good Privacy (PGP)

• zabezpečení na aplikační vrstvě
• zasílání bezpečné elektronické pošty
• důvěrnost, integrita, autentizace i nepopiratelnost

Bezpečná architektura sítě

• základní principy a protokoly
  • síťové protokoly a jejich pružnost
  • redundance
• zabezpečené a pružné směrování
  • ochrana spojení a cest
  • agregace spojení
  • vícecestné směrování
• odolné překryvové sítě (RON)
• zabezpečené DNS

Samoorganizující se sítě

P2P sítě

• "virtuální" síť utvořená nad již existující sítí
• překryvová síť slouží k indexování a zjišťování peerů, po fyzické síti se přenáší data
• nový peer musí mít "kontakt" na alespoň jednoho člena sítě

Centralizované P2P systémy

• centrální servery, které poskytují služby (např. koordinace akcí v síti)
• když peer získá potřebné informace (od severu), komunikuje přímo s peerem, který má požadovaná data
• nevýhody: single point of failure, slabá škálovatelnost a robustnost, nízký výkon pro velký počet účastníků
• např. vědecké výpočty (BOINC), sdílení dat (Napster), IM (Jabber),...

Decentralizované (pure) P2P systémy

• každý peer má jen částečné informace o celé síti

• je obtížnější najít peera s požadovanou informací

• výhody: decentralizace, škálovatelnost, robustnost, výkon

• např. Gnutella

• plochá struktura -- rovnoměrné rozložení funkcionality mezi uzly

• hierarchická struktura -- více vrstev při směrování, lepší izolace chyb, bezpečnost, cache...

Topologie překryvné sítě

• nestrukturovaná -- lokalizace dat je výzvou
• strukturovaná -- existuje mapování mezi daty a peery (distribuované hashovací tabulky), vyšší režie

Hybridní P2P systémy

• kombinují výhody centralizovaného a decentralizovaného přístupu
• super peers -- vybraní peers, které mají roli severu

bezdrátová sít -- buněčná struktura, základní stanice propojeny drátem, např. GSM, UMTS, WLAN

Bezdrátové ad-hoc sítě

• využití při živelných pohromách, vojenských akcích, weareble gadgets, doprava, kolaborativní výpočty
• bez vnitřní infrastruktury
• uzly jsou autonomní
• topologie je dynamická
• omezený dosah
  • single-hop -- všichni na dosah
  • muti-hop -- k uzlu se dostanu přes jiný uzel
• výhody: rychlé vybudování, obtížněji napadnutelné (díky decentralizaci), efektivní využití rádiového spektra
• problémy: samoorganizace, dosah, mobilita, řízení přístupu, směrování

Bezdrátové senzorové sítě

• malá zařízení, málo paměti, málo energie...
• interakce s prostředím
• záchranné akce - sledování teploty okolí (proti požárům v odlehlých částech lesů)
• monitoring prostředí
• zemědělství -- zavlažování a hnojení tam, kde je potřeba
• inteligentní budovy a mosty

Historie komunikačních sítí

Historie komunikace

• kouřové signály
• semaforová abeceda
• 1837/8 -- telegraf
• 1866 -- transatlantický kabel
• 1865 -- potrubní pošta
• 1876 -- telefon (Alexander Graham Bell)
• 1910 -- dálnopis
• 1949 -- modem

Přenosová média

• 1880 -- koaxiální kabel (Oliver Heavyside)
• 1881 -- kroucená dvoulinka (Bell)
• 1966 -- optická vlákna (Charles Kuen Kao -- Nobelova cena za fyziku)

První sítě

• 1971 -- ALOHA (Norman Abramson)
• 1973/4 -- Ethernet (Xerow PARC, Robert Metcalfe)

Arpanet

• vývoj 60. léta
• 1969--1990
• motivací byla decentralizovaná síť, která by byla funkční i při jaderném útoku
• Interface Message Protocol (IMP) -- rozhraní mezi pc a sítí ARPANET

TCP/IP

• 1978 první verze protokolů
• Vinton Gary Cerf a Robert Elliot Kahn
• 3. 2. 2011 se vyčerpaly IPv4 adresy
• další protokoly: DECNet, AppleTalk, IPX/SPX (byly vytlačeny TCP/IP)

Směrování

• 1958 -- Bellmanův-Fordův algoritmus
• 1959 -- Dijkstrův algoritmus (publikován)

DV algoritmy

• 1975 -- DRP (DEC Routing Protocol)
• 1984 -- EGP (Exterior Gateway Protocol
• 1988 -- RIP (Routing Information Protocol)
• 1989 -- BGP (Border Gateway Protocol)

LS algoritmy

• 1989 -- OSPF (Open Shortest Path First)
• 1987 -- IS-IS (Intermediate System to Intermediate System)

Transportní protokoly

• 1981 -- UDP
• 1981 -- TCP
• 1984 -- RDP
• 1984 -- ATP (AppleTalk Transaction Protocol)
• 1985 -- SPX (Sequenced Packet Exchange)
• 2003 -- RTP (Real-time Transport Protocol)

Internet

• 1975 -- rozdělení ARPANETu na ARPANET (akademická půda) a MILNET (armáda)
• 80. léta -- BITNET, CSNET (akademické a výzkumné organizace)
• 1986 -- vysokorychlostní NSFNET
• 1987 -- pojem Internet

World Wide Web

• CERN, 1989
• Sir Tim Berners-Lee
• hypertext
• 1993 -- Mosaic (první webový prohlížeč zpracovávající obrázky a text)

Historie akademické sítě v ČR

• 1990 -- připojení k síti EARN (European Academic and Research Network)
• 1991 -- ČSFR připojena k Internetu
• 1992 -- zahájen provoz Internetu
• 1992/3 -- rozdělení na SANET a CESNET
• 1996 vznik sdružení CESNET
• 2004 -- síť CESNET2
• Metacentrum

---

chyby ve slajdech: 08 str. 38: "diskétní vzorky" 09 str. 5: "Zavezpečení" 10 str. 2-3, 9, 21, 39: chybí obsah slajdu 11 str. 15: Vinton Gary Cerf -> Vinton Gray Cerf