Komutacijski procesi i sustavi. Komutacija u IP mrežama

Transcription

1 Sveučilište u Zagrebu FAKULTET PROMETNIH ZNANOSTI Zavod za informacijsko-komunikacijski promet Katedra za tehniku informacijsko-komunikacijske informacijsko-komunikacijskog sustave i mreže prometa Kolegij: Komutacijski procesi i sustavi Komutacija u IP mrežama Doc. dr. sc. Ivan Grgurević

2 Pregled gradiva Komutacija u IP mrežama Značajke i načini rada protokola za usmjeravanje Usmjeravanje u multimedijskim IP mrežama Prijenos govora u IP mrežama Prijenos video sadržaja u IP mrežama Interoperabilnost IP i ostalih mreža Primjeri usmjeravanja kod OTT usluga

3 Komutacija u IP mrežama

4 Ponavljanje gradiva (1) o Pojmovi iz računalnih mreža o Što je komutacija/prospajanje? Komutacija(lat.): 1. Izmjena redoslijeda; mat. zakon komutacije, neovisnost rezultata o redoslijedu elemenata nad kojima se izvodi operacija (npr. kod zbrajanja i množenja; a+b=b+a;ab=ba). Komutacija, prospajanje ili izmjena redoslijeda je postupak kojim se informacija korisnika prenosi s kraja na kraj mreže ili postupak kojim se informacija prenosi od predajnika do prijemnika. o Komutatori (switchevi): podatke s ulaza prosljeđuju na željeni izlaz

5 Ponavljanje gradiva (2) o Opća svojstva računalnih mreža: Sistematizacija mreža Osnovna svojstva mreže Vrste prospajanja (komutacije) Osnovni standardi o network layer: logička komunikacija između računala o transport layer: logička komunikacija između procesa (aplikacija)

6 Ponavljanje gradiva (3) o Slojevita arhitektura mreže sljedeće generacije

7 Komutacija u IP mrežama (1) o Razvoj Interneta i povećanje multimedijskih i stvarnovremenskihaplikacija stvorili su potrebu za poboljšanjem internetskih tehnologija usmjeravanja u smislu propusnosti (engl. bandwidth), performansi, skalabilnosti i isporuke novih funkcionalnosti o Internetska mreža nam omogućuje konvergencijuili spajanje raznih vidova komunikacije o Komutacija u IP mrežama je također poznata kao multilayer switching, jer to obavlja 3. sloj koji je baziran na usmjeravanju i 2. sloj koji je baziran na komutaciji (OSI RM) o Značajni napori u tom smjeru su: Ipsilon IP Switching, Cisco TagSwitching, IBM ARIS, Toshiba CSR i MPLS

8 Komutacija u IP mrežama (2) o Ipsilon IP Switching IPSILON IP Switch 4 Port ATM1600 o Cisco Tag Switching (RFC 2105) Davie, B.S.; Doolan, P.; Rekhter, Y.: Switching in IP Networks: IP Switching, Tag Switching, and Related Technologies (Morgan Kaufmann Series in Networking), 1st Edition

9 Komutacija u IP mrežama (3) o IBM ARIS Usporedba ARIS BPM i IBM BPM o Toshiba CSR - Corporate Social Responsibility Životni ciklus različitih uređaja / modela / aplikacija

10

11 Komutacija poruka Komutacija u IP mrežama (4) o Mreže s komutacijom poruka primaju poruke (koje mogu sadržavati tekst ili računalne podatke) u komutacijskim čvorištima o U komutacijskim čvorištima se poruke privremeno pohrane, a zatim šalju dalje do odredišta na osnovu podataka o poruci, koji se nalaze u njenom zaglavlju o Kašnjenje na mrežama s komutacijom poruka je veliko, pa nisu pogodne za prijenos govora o Kašnjenje se sastoji od vremena prijenosa i vremena prostiranja na svim spojnim putovima do odredišta, uvećano za vrijeme čekanja poruke u čvorovima

12 Komutacija poruka Komutacija u IP mrežama (5) o Prijenos podataka komutacijom poruka ima prednost pred komutacijom kanala, jer ne postoji potreba za uspostavom fizičkog puta između pošiljaoca i primatelja o Poruke se primaju u centru bez obzira da li su spojni vodovi do primatelja slobodni ili nisu o Mreže s komutacijom poruka danas se ne grade kao samostalne mreže, već se komutacija poruka pruža kao jedna od usluga u mrežama s komutacijom paketa (e-pošta)

13 Komutacija paketa Komutacija u IP mrežama (6) o poruke korisnika dijele se na manje jedinice -pakete, koji se prenose kroz mrežu o kad paket dođe u čvor, šalje se što je moguće prije prema odredištu, kako bi se kašnjenje minimaliziralo o razlikujemo usmjeravanje i prosljeđivanje paketa

14 Komutacija u IP mrežama (7) Komutacija paketa o usmjeravanje paketa određivanje rute paketa od izvorišta do odredišta o prosljeđivanje paketa premještanje paketa s ulaza na odgovarajući izlaz rutera routing algorithm local forwarding table header value output link Vrijednost zaglavlja u dolaznom paketu

15 Komutacija paketa Komutacija u IP mrežama (8) o prosljeđivanje je moguće organizirati na dva načina, prosljeđivanjem pojedinačnih poruka ili korištenjem virtualnog kanala o algoritmima usmjeravanja određuje se optimalni put paketa prema odredištu o algoritmi zahtijevaju veliku količinu obrade, te ih nije moguće primijeniti na svaki pojedinačni paket

16 Komutacija paketa Komutacija u IP mrežama (9) o prema tome, korištenjem algoritama usmjeravanja, periodički se proračunavaju tablice usmjeravanja, a pojedinačni paketi se prosljeđuju na osnovu tih tablica o kod prosljeđivanja svakog paketa zasebno, on u svome zaglavlju mora nositi globalnu adresu odredišta o teoretski svaki paket se može slati zasebnim putem, dok u praksi većina paketa neke veze ide istim putem, prema relativno stabilnim tablicama usmjeravanja o mogućnost biranja alternativnih putova osigurava visoku sigurnost dolaska paketa na odredište

17 Komutacija paketa Komutacija u IP mrežama (10) o kašnjenje se sastoji od vremena predaje, vremena prostiranja i vremena čekanja o nije potrebno čekati cjelokupne poruke, već primljeni paket odmah prosljeđujemo dalje o ukupno vrijeme kašnjenja poruke time je skraćeno u odnosu na kašnjenje kod mreža s komutacijom poruka o važnija posljedica dijeljenja poruke na pakete je u poboljšanju podjele kapaciteta mreže među korisnicima statičkim multipleksiranjem(engl. StaticMultiplexing) redoslijed paketa A i B nije fiksan, propusni opseg se koristi po potrebi o kod komutacije poruka, potrebno je čekati da mreža prenese sve poruke u redu čekanja o kod komutacije paketa, paketi raznih korisnika šalju se naizmjenično, pa je moguće mnogo pravednije zajedničko korištenje kapaciteta kanala

18 Komutacija paketa Komutacija u IP mrežama (11) o PREDNOSTI: učinkovitost, nema blokiranja prometa (paketi se primaju za vrijeme velikog prometa, a mogu jedino kasniti u isporuci) o NEDOSTACI: varijabilno kašnjenje, overhead(dodavanje informacija svakom paketu)

19 Komutacija u IP mrežama (12) o IP protokoli po slojevima HTTP Telnet FTP DNS RTP Transmission Control Protocol (TCP) User Datagram Protocol (UDP) Internet Protocol SONET Ethernet ATM

20 o Razvoj protokolnog složaja Komutacija u IP mrežama (13)

21 Komutacija paketa Komutacija u IP mrežama (14) o Paketskikomutacijski sustavi (engl. PacketNetwork Switch) se primjenjuju kod paketskognačina prijenosa informacija te statičkog multipleksiranjainformacija ili asinkronog vremenskog multipleksiranja o Komutacija paketa datagrami i virtualne veze (virtualni krugovi, putevi, kanali) o Ne spojno te spojno orijentirane paketske mreže (engl. connection/connectionless oriented) o Razlika: prije slanja korisničke informacije (ne)uspostavlja se spojni put o Kod prijenosa datagramasvaki paket putuje neovisno o prethodnom i svako čvorište u mreži odlučuje na koji način će usmjeriti svaki pojedini paket

22 Komutacija u IP mrežama (15) o Čvorište donosi odluku o usmjeravanju na osnovu informacija prikupljenih od susjednih čvorišta o Paketi s istim odredišnim adresama mogu putovati raznim putovima do odredišta o Tipičan primjer ovakve komutacije je u Internet mreži

23 Komutacija u IP mrežama (16) o Kod prijenosa paketa pomoću virtualnih veza prije slanja prvog paketa uspostavlja se virtualni put između izvorišta i odredišta (tim virtualnim putem se šalju svi paketi) o Svaki paket u zaglavlju sadrži virtualni identifikator na osnovu kojega čvorište usmjerava paket o Čvorište ne donosi odluku o usmjeravanju paketa tijekom prijenosa paketa već se odluka donosi prije pri uspostavljanju virtualnog puta

24 Komutacija u IP mrežama (17) Značajka Datagram Virtualni kanal Uspostavaveze Ne treba Treba Adresiranje Informacija o stanju uspostavljenih veza Usmjeravanje Utjecaj kvara na usmjeritelju Upravljanje zagušenjem Kvaliteta usluge Svaki paket mora sadržavati potpunu adresnu informaciju (potpune mrežne adrese izvoraiodredišta) Usmjeritelji ne pohranjuju podatke o uspostavljenim vezama Svaki paket usmjerava se neovisno o drugima Gubitak samo onih paketa kojisu taj čas u obradi Složeno i teško izvedivo Svaki paket sadrži samo kratku oznaku virtualnog kanala Svakom virtualnom kanalu odgovara jedan unos u tablici usmjeravanja u usmjeritelju Put se odabire prilikom uspostave veze, nakon toga svi paketi idu tim putem Prekid svih uspostavljenih virtualnih kanala Jednostavno, akose potrebni resursi mogu unaprijed pridjeliti virtualnom kanalu

25 Komutacija u IP mrežama (18) o Prednosti komutacije datagramasu fleksibilnost kod zagušenja te pouzdanost (ispad jednog čvorišta ne mora značajno utjecati na vezu) o Prednosti komutacije virtualnih veza su što nije potrebno procesiranja svakog paketa u čvorištima te što paketi dolaze istim redoslijedom kojim su i poslani o Kako bi usmjeravanje paketa bilo što učinkovitije i brže, čvorišta razmjenjuju informacije o svom statusu informacije o eventualnim pogreškama na čvorištu ili preopterećenju odnosno zagušenju čvorišta o Paketskikomutacijski sustavi su inicijalno bili korišteni za podršku podatkovnim uslugama, međutim, s trendom konvergencije raznih mreža, paketskikomutacijski sustavi postaju dominantni u modernim telekomunikacijskim mrežama

26 Komutacija u IP mrežama (19) o LAN komutator (LAN switch) Prije su se koristili mostovi, u kojima su funkcije učenja, filtriranja i prosljeđivanja okvira bile implementirane softverski, istisnuti su iz upotrebe od strane uređaja nazvanog komutator drugog sloja(layer 2 switch), u kojem su funkcije mosta implementirane hardverski U kontekstu komutatora pojam drugi sloj odnosi se na drugi protokolni sloj modela OSI RM LAN komutator drugog sloja je uređaj koji obavlja iste funkcije kao i most s većim brojem priključaka (multiport bridge) Danas sve vrste lokalnih mreža (Ethernet, Token Ring, FDDI i dr.) koriste komutiranu mrežnu arhitekturu

27 Komutacija u IP mrežama (20) o ETHERNET komutator (Ethernet switch) Generička arhitektura Ethernet komutatora DTE MAC broj priključka upravljački procesor... tablica komutiranja FIFO FIFO DI DO priključak 1 DTE 1 komutacijsko polje ethernetski komutator FIFO FIFO DI DO priključak N DTE N DI - ulazni dio priključka DO - izlazni dio priključka upravljačka linija podatkovna linija

28 Komutacija u IP mrežama (21) o ETHERNET komutator (Ethernet switch) Svaki se krajnji uređaj (DTE) povezuje s priključkom komutatora (port) pomoću dvije parice (ili pomoću dvije optičke niti), od kojih jedna služi za slanje okvira od DTE-a prema komutatoru, a druga za slanje okvira u suprotnom smjeru Na razini podsloja MDI (konektor), svaki priključak komutatora podržava prijenos informacija u oba smjera Na višim slojevima nastaje razdvajanje funkcija ulaza i izlaza, pa je moguće govoriti o ulaznom (DI) i izlaznom priključku (DO) Ako se podaci kroz priključak šalju u oba smjera istovremeno, tada se radi o dvosmjernom prijenosu (FD) Ako je u svakom trenutku kroz priključak moguće prenositi podatke samo u jednom smjeru, tada se radi o naizmjeničnom prijenosu (HD) U svom izvornom načinu rada Ethernet komutator na svim priključcima podržava naizmjenični prijenos

29 Komunikacijski protokoli (1) o Komunikacijski protokoli Adresiranje Sinkronizacija Kontrola pogreški Kontrola toka kao mehanizam protokola

30 Komunikacijski protokoli (2) o Skup pravila po kojima procesi iste razine razmjenjuju jedinice informacije, PDU (engl. protocol data unit) o Izvršavanje svih operacija vezanih uz komunikacijski protokol obavlja komunikacijski proces sa zadaćom: sa što većom točnošću odrediti stanje korespondentnog procesa poduzimati odgovarajuće mjere s ciljem pružanja usluge prijenosa podataka procesu nadređene razine

31 Komunikacijski protokoli (3) o Od vitalnog je značaja za funkcioniranje promatrane razine i za funkcioniranje mreže kao cjeline o Striktno i formalno specificiranje protokola o Usvajanje industrijskih ili međunarodnih standarda o Problematika standardizacije o Vanjska specifikacija(oblik PDU kao cjeline, format zaglavlja) o U zaglavlju se definiraju: polja i format podataka u njima: značenje koje mora biti jednoznačno za sve uređaje sukladne protokolu

32 Komunikacijski protokoli (4) o Primjeri zaglavlja IP protokola

33 o Unutarnja specifikacija Komunikacijski protokoli (5) odnosi se na pravila rada procesa to su algoritmi protokola njima se obrađuju informacije iz zaglavlja PDU i donose odluke o radu procesa algoritmi se mogu naknadno modificirati, primjer: TCP protokol Interneta o Formalna specifikacija nužnost osiguravanja jednoznačnosti tumačenja protokola pomoću nje različiti proizvođači uspješno usklađuju rad svojih proizvoda s usvojenim standardima jednoznačnost se osigurava formalnim specificiranjem protokola uz korištenje posebnih formalnih jezika (govorni, formalni programski jezik i dr.)

34 Komunikacijski protokoli (6) o Komunikacijski protokoli Adresiranje mehanizam adresiranja organizacija adresiranja objekti adresiranja vrste adresa upravljanje adresama adresiranje po razinama

35 Komunikacijski protokoli (7) o Mehanizam adresiranja jednoznačno identificira korisnika informacije problem duljine adrese (postoji ukupno 2 48 mogućih kombinacija adresa, ) format zaglavlja

36 Komunikacijski protokoli (8) o Organizacija adresiranja Striktno i distribuirano adresiranje o Objekti adresiranja Fizički uređaji na podatkovnom sloju Procesi na mrežnom sloju Kombinacija adresa pristupna točka (port) Fiksna pristupna točka Dinamička pristupna točka

37 Komunikacijski protokoli (9) o Vrste adresa Pojedinačna (unicast) Grupna (multicast) Univerzalna (broadcast)

38 Komunikacijski protokoli (10) o Upravljanje adresama Na pojedinoj razini neke mreže, adrese mogu biti određene (administrirane): Lokalno adrese na privatnoj mreži Intranetske adrese (poseban slučaj) Globalno određene od strane ovlaštenog tijela u upravi mreže kao organizacije o Adresiranje po razinama Fizička razina (nema potrebe za adresiranjem) Podatkovna razina Jednospojno povezivanje (veza između 2 točke) Višespojno povezivanje (primjer: MAC adresa u Ethernet uređajima)

39 Komunikacijski protokoli (11) o Adresiranje po razinama Mrežna razina (ako ima više protokola na ovoj razini, podatkovni sloj mora imati identifikator mrežnog protokola) mora postojati jedinstvena globalna adresa korisnika ona omogućuje usmjeravanje paketa ka odredištu pakete u paketnim mrežama prosljeđujemo pojedinačno ili po virtualnom kanalu kod slučaja pojedinačnog prosljeđivanja, svaki paket mora nositi globalnu adresu odredišta kod slučaja prosljeđivanja po virtualnom kanalu, samo prvi paket nosi globalnu adresu ostali paketi moraju nositi samo kratki identifikator virtualnog kanala

40 Komunikacijski protokoli (12) o Adresiranje po razinama Mrežna razina (IP protokol): IP adresa - 32 bita (IPv4) identifikator koji globalno i jednoznačno određuje mrežno sučelje krajnji sustav (npr. računalo priključeno na mrežu) obično ima jedno sučelje i jednu IP-adresu mrežni čvor (npr. usmjeritelj) priključen na više (pod)mreža ima više sučelja i isto toliko IP adresa Prijenosna razina obavlja se identifikacija prijenosnog protokola koristi se mehanizam pristupnih točaka s fiksnim identifikatorom

41 Komunikacijski protokoli (13) o Adresiranje po razinama Sjednička razina obavlja se identifikacija procesa korisnika unutar računala koristi se mehanizam pristupnih točaka s dinamičkom dodjelom identifikatora iznimka su poslužiteljski procesi, npr. HTTP (Web) poslužitelj, koji koriste fiksne identifikatore Primjer: WEB Predodžbena i korisnička razina nije potrebno procesi su već identificirani kroz sjedničku razinu

42 Komunikacijski protokoli (14) o IP adresiranje - primjeri IP adresa računala: Mrežna maska: A klasa 1. oktet je adresa mreže 2., 3., 4. oktet je adresa računala Sva računala su istoj mreži Sva imaju identičan dio IP adrese koji se odnosi na mrežu Sva računala imaju različitu IP adresu Svako računalo mora imati jedinstvenu IP adresu kako bi se razlikovalo u mreži IP adresa računala: Mrežna maska: B klasa 1. i 2. oktet je adresa mreže 3. i 4. oktet je adresa računala Sva računala su istoj mreži Sva imaju identičan dio IP adrese koji se odnosi na mrežu Sva računala imaju različitu IP adresu Svako računalo mora imati jedinstvenu IP adresu kako bi se razlikovalo u mreži IP adresa računala: Mrežna maska: C klasa 1., 2., 3. oktet je adresa mreže 4. oktet je adresa računala Sva računala su istoj mreži Sva imaju identičan dio IP adrese koji se odnosi na mrežu Sva računala imaju različitu IP adresu Svako računalo mora imati jedinstvenu IP adresu kako bi se razlikovalo u mreži CIDR Mrežna maska A klase: Mrežna maska B klase: Mrežna maska C klase: Binarni zapis maske mreže / 8 / 16 / 24 Decimalna notacija maske mreže

43 IP adresa CIDR Namjena rezerviranog opsega IP adresa RFC /8 Adresa koja definira mrežu na koju smo spojeni (Zero Addresses, This network) /8 Raspon privatnih IP adresa (A klasa) / /16 Adresa računala na kojem radimo (Localhost Loopback Address) Autokonfiguracija mreža (APIPA - Automatic Private Internet Protocol Addressing) /12 Raspon privatnih IP adresa (B klasa) /24 Dokumentacija i primjeri /24 IPv6 IPv4 Anycast /16 Raspon privatnih IP adresa (C klasa) / /4 Mjerenje performansi mreže (Network Device Benchmark) Multicast (D klasa adresa) /4 Rezervirane adrese (E klasa adresa) 1166

44 Sinkronizacija (1) o Komunikacijski protokoli Sinkronizacija Sinkronizacija PDU Sinkronizacija rada procesa Sinkronizacija PDU na fizičkoj razini bit ili byte(sinkrono asinkrono) na podatkovnoj razini ovisno o sinkronizaciji na fizičkoj razini na mrežnoj razini paket na prijenosnoj razini sinkronizacija po segmentu ili datagramuako nije cjeloviti PDU na sjedničkoj razini sinkronizacija po poruci sinkronizacija PDU na višim razinama nije potrebna

45 Sinkronizacija (2) o Komunikacijski protokoli Sinkronizacija Sinkronizacija rada procesa na osnovi pretpostavljenog poznavanja stanja korespondentnog procesa na udaljenom računalu jedina informacija o udaljenom procesu su primljeni PDU algoritmi rada procesa N trebaju biti takvi da omoguće prijenos podataka u uvjetima: gubitaka PDU i pogrešnih pretpostavki o stanju korespondentnog procesa takav proces može se smatrati automatom (pamti prethodna stanja), automat treba prepoznati neregularna stanja i znati izvući se iz njih

46 SIP protokol (1) o SIP (engl. Session Initiation Protocol) je signalizacijski protokol s kraja na kraj koji omogućava kreiranje, kontrolu i raskidanje sesije s jednim ili više korisnika o SIP signalizacijski protokol je klijent server protokol koji djeluje na sloju aplikacije o Protokol omogućava realizaciju usluga kakve su u PSTN mreži uz dodatne mogućnosti, primjerice multimedijske o Primjenjuje se zajedno s drugim protokolima s ciljem realizacije usluge, primjerice RTP (engl. Real-time Transport Protocol ) i SDP (engl. Session Description Protocol) o SIP protokol se temelji na HTTP protokolu

47 SIP protokol (2) o SIP protokol se koristi u VoIPNGN mrežama te u IMS mrežama za uspostavljanje, kontrolu i raskidanje poziva o Pored SIP protokola, komunikacija između dva korisnika s kraja na kraj u VoIPmrežama može se realizirati i pomoću H323 protokola (ITU-T standard) o Pored navedenih signalizacijskih sustava, u primjeni je i niz drugih signalizacijskih o sustava koji omogućavaju komunikaciju između raznih mrežnih elemenata o Primjerice, u NGN mrežama (engl. NextGenerationNetwork) primjenjuje se MGCP (engl. MediaGatewayControlProtocol) odnosno poboljšana verzija ovog protokola H.248 za komunikaciju kontrolera pretvornika medija i pretvornika medija o Za komunikaciju dva kontrolerapretvornika medija primjenjuje se BICC protokol (engl. Bearer Independent Call Control).

48 Značajke komutacija u IP mrežama o Važne značajke: Point-to-Point Multicast (prijenos podataka se sadrži od jednog paketa podataka koji se kopira i šalje na specifične podskupove uređaja na mreži. Izvor adresira paket koristeći multicast adresu, te potom kopira paket i šalje kopije svakom čvoru (korisniku) koji je dio multicast adrese) Kvaliteta usluga IP Switch Latencija(kašnjenje)

49 Nadogradnja o Primjena računalnog programa MATLAB i Simulink o Communications System Toolbox o

50 Korištena literatura [1.] Viswanathan, T., Bhatnagar, M.: Telecommunication Switching Systems And Networks, Second Edition, PHI Learning; Edición, New Delhi, India, 2015 [2.] Beasley, J.S., Nilkaew, P.: Networking Essentials: A CompTIA Network+ N Textbook(4th Edition), Pearson IT Certification, USA, 2016 [3.] Kurose, J.F., Ross, K.W.: Computer Networking: A Top-Down Approach, (6th Edition), Pearson Education, Inc., USA, 2013 [4.] CARNetCERN: Osnove mrežnog usmjeravanja, CCERTPUBDOC , Zagreb, [5.] Internetski izvori podataka (Cisco, ITU, Microsoft MSDN, Microsoft TechNet) (ožujak 2016.)

51 Pitanja i komentari?