1. רשתות תקשורת מחשבים עמית דביר A note on the use of these ppt slides:
We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in PowerPoint form so you 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:
If you use these slides (e.g., in a class) in substantially unaltered form, that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!)
If you post any slides in substantially unaltered form 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
All material copyright
J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved
ומתבססות על שקפים של ד"ר בועז בן משה, פרופ' אמיר הרצברג, איציק קיטרוסר ושי אולשר
רשתות תקשורת מחשבים

2. Course Information Lectures: Tuesday 14:00 – 17:00
Website:
Slides, Assignments, Messages
Books:
Computer Networking: A Top-Down Approach Featuring the Internet / Kurose-Ross
Computer Networks / Tanenbaum
רשתות תקשורת מחשבים 2

3. Course Information Reception hours: Grading To be discuss in class.
70% Final exam
15% Assignments
15% Programming
The default is submitting in pairs!!!!
להראות להם דוגמא של wireshark וכיצד יש לגרור לתוך האפליקציה מידע מובנה
תרגילים עיונים – 4
תרגילים תיכנותיים – 6 (5 מעבדה ו-1 JAVA)
הגשת תרגילים, אפשר לוותר על אחד על פי בחירה חוץ מתכנות java
רשתות תקשורת מחשבים 3

4. בתכנית מטרות נהלים תכנית הקורס מבוא לרשתות תקשורת
________________________________________________________________________________________________
מוטיבציה, דוגמאות וטרמינולוגיה
קישורים פשוטים ורשתות, העברות לעומת עיכובי הפצה
אינטרנט ונתבים
רשתות תקשורת מחשבים 4

5. מטרות תפיסת התמונה הכוללת: מה קורה בפועל תאוריה: שכבות ברשת כלי רשת:
ftp, hyper-terminal…
רכישת מיומנות תכנותית (שימוש ב-Wiresharck)
רשתות תקשורת מחשבים 5

6. תכנית הקורס נושא פרק בספר מס' Introduction 1
Application layer protocols 2
Transport layer, reliability, congestion 3
Network (internet) layer 4
Link Layer 5
Wireless Networks NA 6
רשתות תקשורת מחשבים 6

7. מוטיבציה, דוגמאות וטרמינולוגיה
מוטיבציה: רבה.
מונחים מקצועיים (גם כן לא מעט): רשת (network), פרוטוקול, TCP\IP, שרת-לקוח (client server)...
דוגמאות:
טלפונים סלולריים
אחרים: GPS, MESH
אלחוטי (wireless): Wi-Fi, BT, IR A B
רשתות תקשורת מחשבים 7

8. דגשים הבנת התמונה הכללית העולם משתנה (חומרה משתפרת):
דוגמה: רשתות אלחוטיות.
לא להסתפק בדיבורים - מיומנויות תכנות!
רקע חזק + ידע מעשי -
תפיקו את המירב מהתרגולים והתרגילים.
רשתות תקשורת מחשבים 8

9. תרחיש תקשורת בסיסי
תרחיש בסיסי: A שולח מידע ל- B על גבי קו תקשורת (link) ייעודי (dedicated) המחבר בין שניהם (בלבד).
שאלה בסיסית: כמה זמן זה לוקח?
הניחו כי קו התקשורת ייעודי (לא משותף), אין כשלים.
מקור ראשי של עיכוב:
- מהירות העברה (ביטים לשנייה) , bps or Bps
- מהירות הפצה (מטרים לשנייה), m/s
להתחיל לדבר על הדוגמא שתלך איתנו לכל אורך הקורס A B
רשתות תקשורת מחשבים 9

10. העברה לעומת עיכובי הפצה
שימו לב אל תצמדו לסימוני האותיות אלא להסבר שלהם במקרים רבים אתם תראו אותו סימון למספר מושגים
מהירות הפצה (מטרים לשנייה) ועיכוב propagation speed
d = אורך של קו פיזי
s = מהירות הפצה בתווך (~2x108 m/sec)
עיכוב הפצה = d/s
מוגדר גם כ-propagation time
מהירות העברה (ביטים לשנייה) ועיכוב transmission speed
R = רוחב פס (bps)
L = אורך חבילה (bits)
זמן לשלוח ביטים לתוך קו התקשורת = L/R
מוגדר גם כ- transmission time
העברה
הפצה A B
רשתות תקשורת מחשבים 10

11. רשת תקשורת מחשבים רשת מחברת שני מחשבים או יותר.
רשת מחברת שני מחשבים או יותר.
- קו תקשורת: רק בין שניים.
כל זוג יכול לתקשר (תוך שימוש בכתובת רשת)
סוגים שונים של רשתות:
כתובות
הגבלות על אורך
אמינות
עיכובים, ... 2 1 5 3 4
רשתות תקשורת מחשבים 11

12. סוגי רשתות כל זוג יכול לתקשר (תוך שימוש בכתובת רשת)
כל זוג יכול לתקשר (תוך שימוש בכתובת רשת)
רשתות תקשורת מחשבים 12

13. מבט ל"ברזלים" של האינטרנט
local ISP
company
network
regional ISP
router
workstation
server
mobile
מליוני יחידות ממוחשבות מחוברות
"מארחים" (hosts) = מערכות קצה:
- מריצות יישומי רשת
קווי תקשורת:
סיבים, נחושת, רדיו, לוויין
קצב העברה = רוחב פס
נתבים: מעבירים חבילות (packets) – חתיכות של מידע
רשתות תקשורת מחשבים 13

14. אינטרנט: חיבור של רשתות (תוך שימוש ב-TCP/IP, 'אינטרנט' משמעו אינטרנט 'ציבורי, גדול'(
רשתות תקשורת מחשבים 14

15. מבט מעמיק יותר על מבנה הרשת
קצוות הרשת:
- יישומים ו-"מארחים"
ליבת הרשת:
- נתבים
- רשת של רשתות
רשתות גישה, מדיה פיזית:
- קווי תקשורת
רשתות תקשורת מחשבים 15

16. קצוות הרשת מערכות קצה (hosts): מודל לקוח-שרת מודל peer-peer
- מריצות יישומים
- דואר אלקטרוני, רשת
- ב-"קצה הרשת"
מודל לקוח-שרת
- הלקוח מבקש, מקבל שירות משרת זמין תמיד
- לדוגמה: דפדפן/שרת; לקוח דואר/שרת
מודל peer-peer
- שימוש מינמלי (או כלל לא) בשרתים יעודיים
- לדוגמה: KaZaA, Skype
רשתות תקשורת מחשבים 16

17. ליבת הרשת סבך (mesh) של נתבים מחוברים
השאלה המהותית: איך מידע מועבר דרך הרשת?
- מיתוג מעגלים (circuit switching): מעגל ייעודי לכל קריאה; רשת טלפוניה
- מיתוג חבילות (packet switching): מידע נשלח ברשת בחבילות ("חתיכות" בודדות)
רשתות תקשורת מחשבים 17

18. ליבת הרשת: מיתוג מעגלים
משאבים מקצה אל קצה שמורים ל-"שיחה"
רוחב פס של קו תקשורת, קיבולת של מתג
משאבים יעודיים: אין שיתוף
ביצוע מדמה מעגל (מובטח)
נדרשת הכנה של שיחה
רשתות תקשורת מחשבים 18

19. תרחישים נפוצים ברשת אינטרנט רשת חוטית מקומית (Ethernet)
- עיכוב: בעיקר עקב תורים בנתבים (במיוחד כאשר נתב סתום)
- כאשר אינו סתום: עיבוד בנתבים, זמן הפצה (אם רחוק)
- אובדן מידע: בעיקר עקב סתימה של נתבים או קו תקשורת לא אמין
רשת חוטית מקומית (Ethernet)
- עיכוב: בעיקר תור אצל שלוח (לערוץ), זמן העברה
- אובדן מידע: הפרעה ('התנגשות') או עיכוב משמעותי
- רעש, החלשות, עיוות אות: זניח, מטופל בשכבה הפיזית, מגבלות
קישור אלחוטי (Lan, רדיו, סלולרי)
- רעש, החלשות (חסימות), הפרעות (התנגשויות)...
לווין
- עיכוב הפצה גדול, העברת קבצים טובה אך ללא אינטראקציה, הפרעות של פריצה ורעש
רשתות תקשורת מחשבים 19

20. "שכבות" הפרוטוקול שאלה: רשתות הן דבר מורכב! חלקים רבים:
האם יש סיכוי לארגן מבנה רשת?
או לפחות את הרשתות הבודדות שלנו?
רשתות הן דבר מורכב!
חלקים רבים:
- hosts
- נתבים
- קווי תקשורת של מדיות שונות
- יישומים
- פרוטוקולים
- תוכנה, חומרה
רשתות תקשורת מחשבים 20

21. (Inter)networkרשת פנימית
"ערימת הפרוטוקול" (protocol stack) האינטרנט
יישום: פונקציונליות ספציפית ליישום
- HTTP, FTP, SMTP
תעבורה: מעבר מידע מ-host ל-host
- TCP, UDP
רשת (פנימית): ניתוב datagrams לאורך האינטרנט
- IP, פרוטוקולי ניתוב
קו תקשורת: קו תקשורת בתוך אותה רשת
- PPP, Ethernet ...
פיזי: חלקים "על הכבל"
- רדיו לעומת אינפרא אדום, קידוד ביטים
(Application)יישום
(transport)תעבורה
(Inter)networkרשת פנימית
(link)קו תקשורת
(physical)פיזי
רשתות תקשורת מחשבים 21

22. שכבות פרוטוקול ומידע פירוק הבעיות של רשתות לשכבות מודולריות
שכבות פרוטוקול ומידע פירוק הבעיות של רשתות לשכבות מודולריות. כל שכבה משתמשת בשכבה תחתונה יותר, ונותנת שירותים לשכבה עליונה יותר.
מוסיפה מידע בפתיח ליצירת יחידת מידע חדשה.
- לעיתים גם סיומת, ולפעמים יחידת מידע 'חלקית'
מעבירה יחידת מידע חדשה, 'עטופה', לשכבה מתחת.
זוהי אינקפסולציה (של מידע בין פתיח לסיומת)
מקור
יעד
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical M H t n l M H t n l
message
segment
Packet (datagram)
frame
רשתות תקשורת מחשבים 22

23. למה שכבות? התמודדות עם מערכות מורכבות:
מבנה מפורט מאפשר זיהוי, וקשרים בין חלקים של מערכות מורכבות
- מודל ייחוס רב שכבתי לדיון
מודולריות מקלה על אחזקה ועדכון של המערכת
- שינוי מימוש של שכבה לא משפיע כל שאר השכבות
- שינוי ממשק (שירות) של שכבה משפיע רק על ה-"לקוח" (שכבה מעל)
עלות מימוש של שכבות: עבודה כפולה, תקורה, חוסר יכולת לגשת למידע של שכבה תחתונה
רשתות תקשורת מחשבים 23

24. שכבות: תקשורת לוגית כל שכבה: - מופצת
application
transport
network
link
physical
כל שכבה:
- מופצת
- "ישויות" מממשות פונקציונליות של השכבה בכל קודקוד - ישויות מבצעות פעולות, מחליפות הודעות עם peers
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
application
transport
network
link
physical
רשתות תקשורת מחשבים 24

25. שכבות: תקשורת לוגית דוגמאות: - קחו מידע מיישום
- הוסיפו כתובת, מידע לבדיקת אמינות ל-"datagram"
- שלחו datagram ל-peer
- המתינו ל-ack מה-peer
- אנלוגיה: משרד דואר
data
application
transport
network
link
physical
transport
ack
data
data
transport
רשתות תקשורת מחשבים 25

26. שכבות: תקשורת פיזית data application transport network link physical
רשתות תקשורת מחשבים 26

27. אינקפסולציה source זרימת מידע פיזית זרימה לוגית destination
message M
application
transport
network
link
physical
segment Ht M
datagram Ht Hn M
frame Ht Hn Hl M
link
physical Ht Hn Hl M Ht Hn Hl M
זרימת מידע פיזית
מתג
זרימה לוגית
destination
network
link
physical Ht Hn M Ht Hn M M
application
transport
network
link
physical Ht Hn Hl M Ht Hn Hl M Ht M Ht Hn M
נתב Ht Hn Hl M
רשתות תקשורת מחשבים 27

28. ליבת הרשת: מיתוג מעגלים
משאבי הרשת (לדוגמה רוחב פס) מחולקים ל-"חתיכות"
"חתיכות" מוקצות לשיחות
"חתיכה" של משאב במצב סרק אם לא נמצאת בשימוש של השיחה אליה הוקצתה (אין שיתוף)
חלוקה של רוחב פס ל-"חתיכות"
- חלקות תדירות
- חלוקת זמן
רשתות תקשורת מחשבים 28

29. Circuit Switching: FDM and TDM
4 users
Example:
FDM
frequency
time
TDM
frequency
time
Two simple multiple access control techniques.
Each mobile’s share of the bandwidth is divided into portions for the uplink and the downlink. Also, possibly, out of band signaling.
As we will see, used in AMPS, GSM, IS-54/136
רשתות תקשורת מחשבים 29

30. intחלוקת רוחב פס ל-"חתיכות"
ליבת הרשת: מיתוג חבילות
מאבק על משאבים:
דרישת משאבים משותפת יכולה לחרוג מהכמות הזמינה
סתימות: תור חבילות, המתנה לשימוש בקו תקשורת
שמור והעבר: חבילות מתקדמות קפיצה אחת בכל פעם
כל מידע מקצה אל קצה מחולק ל-"חבילות" (packets)
החבילות של משתמשים A ו-B חולקות משאבי רשת
כל חבילה משתמשת ברוחב פס מלא
משאבים מנוצלים לפי הנדרש
intחלוקת רוחב פס ל-"חתיכות"
הקצאה ייעודית
שמירת משאבים
רשתות תקשורת מחשבים 30

31. תור של חבילות מחכות לקו תקשורת החוצה
מיתוג חבילות: ריבוב סטטיסטי
10 Mb/s
Ethernet C A
ריבוב סטטיסטי
1.5 Mb/s B
תור של חבילות מחכות לקו תקשורת החוצה D E
רצף של חבילות מ-A ו-B לא קיים סדר קבוע, הם חולקים לפי דרישה ריבוב סטטיסטי 
רשתות תקשורת מחשבים 31

32. מיתוג חבילות לעומת מיתוג מעגלים מיתוג חבילות מאפשר ליותר משתמשים להתשמש ברשת!
קו תקשורת של Mb/s 1
כל משתמש:
- kb/s 100 כאשר "פעיל"
- פעיל 10% מהזמן
מיתוג מעגלים:
- 10 משתמשים
מיתוג חבילות:
- עם 35 משתמשים, הסתברות > פעילים פחות מ
N users
1 Mbps link
רשתות תקשורת מחשבים 32

33. נתבים: רישות בין רשתות ומיתוג חבילות
נתבים הם מחשבים מיוחדים שמחברים שתי (או יותר) רשתות / קווי תקשורת (או יותר)
רשתות יכולות להיות בטכנולוגיות שונות:
- כתובות רשת שונות
- מגבלות שונות על אורך
- רמת אמינות שונה, מאפייני עיכוב
נתבים:
- עושים שימוש בכתובות בפרוטוקול אינטרנט על מנת לזהות את רשת היעד.
- בוחרים נתיב לכיוון רשת היעד ומקדמים את החבילה.
- 'שמור והעבר' (‘Store & Forward’): העבר רק אחרי שנתקבלה כל החבילה (ונבדקה).
כדי להימנע מהעברת חבילות פגומות ובכך האטת קו תקשורת מהיר
רשתות תקשורת מחשבים 33

34. מיתוג חבילות: 'שמור והעבר'L R R R
דוגמה:
L = 7.5 Mbits – של מידע וחבילה, נתעלם מגודל של פתיח.
R = 1.5 Mbps
קישור (קפיצה) יחיד: L/R = 5sec
עיכוב קצה אל קצה:
3*L/R = 15sec
לוקח L/R שניות לשדר ("לדחוף החוצה") חבילה בת L ביטים על קו תקשורת של R bps
כל החבילה צריכה להגיע לנתב לפני שהיא עוברת לחלק הבא הנתיב: שמור והעבר'
עיכוב קצה אל קצה = (מס' קפיצות) * L/R
Store and Forward
רשתות תקשורת מחשבים 34

35. חלוקה למקטעים ו-pipelining
נפרק את ההודעה ל-5000 חבילות
כל חבילה מכילה 1500 ביטים
- נניח שזה כל המידע (נתעלם מהפתיח)
לוקח 1 msec לשדר חבילה על קו תקשורת אחד.
pipelining: כל קו תקשורת פועל במקביל
5 שניות לכל קטע
עיכוב קצה אל קצה (E2E) = *2
3 msec לחבילה ראשונה חבילות * 1 msec
עיכוב הוקטן מ-15 שניות ל שניות.
שאלה: מדוע לא להשתמש בחבילות קטנטנות (לדוגמה 1 byte)?
רשתות תקשורת מחשבים 35

36. ארבע מקורות לעיכוב חבילות
2. עמידה בתור
- זמן המתנה לשידור בקו התקשורת היוצא
- תלוי ברמת העומס על הנתב ובקו התקשורת
- כולל זמן גישה אל קו תקשורת (משותף)
עיבוד קודקודים
- בדיקת שגיאות בביטים
- קביעת קו תקשורת ליציאה A B
propagation
transmission
nodal
processing
queueing
רשתות תקשורת מחשבים 36

37. שימו לב - s ו-R הן כמויות שונות מאד
עיכובים ברשתות עם מיתוג חבילות
4. עיכוב הפצה
- d = אורך קו פיזי
- s = מהירות הפצה בתווך (m/sec ~2x108)
- עיכוב הפצה = d/s
3. עיכוב בהעברה
- R = רוחב פס (bps)
- L = אורך חבילה (ביטים)
- זמן לשליחת חבילה לתוך קו התקשורת = L/R A B
propagation
transmission
nodal
processing
queueing
שימו לב - s ו-R הן כמויות שונות מאד
רשתות תקשורת מחשבים 37

38. עיכוב בקודקודים (nodal delay)
dproc = עיכוב עיבוד
- בדרך כלל מספר מיקרו-שניות או פחות
dqueue = עיכוב תור
- תלוי ברמת העומס – יכול להיות גורם עיקרי
dtrans = עיכוב בהעברה
- L/R, משמעותי בחיבורים בעלי מהירות נמוכה
dprop = עיכוב הפצה
- כמה מיקרו-שניות לכמה מאות מילי-שניות
רשתות תקשורת מחשבים 38

39. אובדן חבילות לתור (באפר) יש קיבולת סופית
כאשר חבילות מגיעות לתור מלא, החבילה מושמטת (אובדת)
חבילה שאבדה יכולה להיות משודרת פעם נוספת
- מהקודקוד הקודם, מהמערכת בנק' הקצה המקורית, או לא להיות משודרת שנית כלל
אובדן חבילות בגלל רעש?
- אפשרי בכמה סוגי קווי תקשורת, בעיקר אלחוטיים.
- אבל קווי תקשורת (מונחים) רבים הם אמינים
- יש קווי תקשורת שמוודאים הגעה ומשדרים בשנית כדי 'להחביא' רעש (נדון בכך במסגרת שכבת רשת/קו תקשורת)
רשתות תקשורת מחשבים 39

40. מכשולים בתקשורת עיכוב רעש / הפרעות
- העברה: ביטים לשנייה (מוגבלים HW/SW)
- הפצה: מהירות בינונית (קטנה מ-108*3 מילי-שניות - מהירות האור)
- עיבוד (אצל השולח, מקבל, נתבים, מתגים)
- תורים (שולח, נתבים)
רעש / הפרעות
- הפרעות תרמיות: הפרעות אנרגיה רנדומליות
- פרצי רעש: נעצים על קוו מתח וכדומה
- "עלייה על הקו" – הפרעה מתשדורת אחרת (לדוגמה השראה חשמלית מכבל אחר)
רשתות תקשורת מחשבים 41

41. עוד מכשולים בתקשורת החלשות עיוות - אובדן אנרגיית אות
- יחס קבוע לאותות סינוס עם תדירות זהה
עיוות
- כיוון שהחלשה שונה מתדרים אחרים
- ומתקיים (התמרת פורייה): signal(t) = ∑ freqsinous_signalfreq(t)
רשתות תקשורת מחשבים 42

42. תרחישים נפוצים ברשת אינטרנט רשת חוטית מקומית (Ethernet)
- עיכוב: בעיקר עקב תורים בנתבים (במיוחד כאשר נתב סתום)
- כאשר אינו סתום: עיבוד בנתבים, זמן הפצה (אם רחוק)
- אובדן מידע: בעיקר עקב סתימה של נתבים או קו תקשורת לא אמין
רשת חוטית מקומית (Ethernet)
- עיכוב: בעיקר תור אצל שלוח (לערוץ), זמן העברה
- אובדן מידע: הפרעה ('התנגשות') או עיכוב משמעותי
- רעש, החלשות, עיוות אות: זניח, מטופל בשכבה הפיזית, מגבלות
קישור אלחוטי (Lan, רדיו, סלולרי)
- רעש, החלשות (חסימות), הפרעות (התנגשויות)...
לווין
- עיכוב הפצה גדול, העברת קבצים טובה אך לא אינטאקציה, הפרעות של פריצה ורעש
רשתות תקשורת מחשבים 43

43. ארכיטקטורת לקוח-שרת שרת: - תמיד על host - כתובת IP קבועה
- "חוות שרתים" כדי לתת יתרון לגודל
- שולח תגובות לבקשות
לקוחות:
- יוזמים תקשורת עם שרת (שולחים בקשות)
- יכולים להיות מחוברים לסירוגין
- יכולים להיות בעלי כתובת IP דינמית או קבועה
- לא מתקשרים ישירות זה מול זה
רשתות תקשורת מחשבים 44

44. ארכיטקטורת P2P טהורה אין שרת שזמין תמיד
תחנות קצה שרירותיות מתקשרות ישירות
Peers מתחברים לסירוגין ומחליפים כתובות IP
דוגמה: Gnutella
מאד דינמית לשינויים בגודל
קשה מאד לניהול
רשתות תקשורת מחשבים 45

45. הכלאה בין לקוח-שרת לבין P2P
לקוחות נרשמים, מוצאים peer דרך שרת(י) ניהול
נאפסטר:
- העברת קבצים מתבצעת P2P
- חיפוש קבצים מרוכז:
Peers רושמים תוכן בשרת מרכזי
Peers מחפשים באותו שרת מרכזי על מנת למצוא תוכן
מסרים מיידים:
- קריאה בין שני משתמשים היא P2P
- בדיקת ואיתור נוכחות מרוכזים:
משתמש רושם את כתובת ה-IP שלו בשרת המרכזי כאשר הוא מתחבר, ומשתמש בשרת המרכזי כדי לחפש כתובות IP של חברים שלו
רשתות תקשורת מחשבים 46

46. P2P: ספריה מרכזית תכנון מקורי של "נאפסטר"
בוב
תכנון מקורי של "נאפסטר"
1) כאשר peer מתחבר, הוא מעדכן את השרת המרכזי:
- כתובת IP
- תוכן
2) אליס מחפשת את "בדד", ומקבלת את הכתובת של בוב.
3) אליס מבקשת את הקובץ מבוב 1 1 3 1 2 1
אליס
רשתות תקשורת מחשבים 47

47. P2P: בעיות עם ספריה מרכזית
כשל נקודתי
צוואר בקבוק בביצועים
הפרת זכויות יוצרים
מוטיבציה לספריה מבוזרת (ראו ספר)
העברת קבצים היא מבוזרת, אבל איתור התוכן מבצע שימוש בספריה מרכזית.
רשתות תקשורת מחשבים 48

48. מבנה אינטרנט: רשת של רשתות
פחות או יותר היררכי
במרכז: ספקי אינטרנט מהשכבה הראשונה ("tier 1") – לדוגמה –
MCI, Sprint, AT&T, Cable and Wireless . כיסוי ארצי/בינלאומי.
מתייחסים אחד לשני כשווים.
ספקים מהשכבה הראשונה מחוברים בפרטיות זה לזה (peer)
NAP
ספקים מהשכבה הראשונה מחוברים גם בנקודות גישה ציבוריות לרשת (public network access points – NAPs)
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
רשתות תקשורת מחשבים 49

49. ספק אינטרנט בשכבה ראשורנה – Sprint US
DS3 (45 Mbps)
OC3 (155 Mbps)
OC12 (622 Mbps)
OC48 (2.4 Gbps)
Seattle
Atlanta
Chicago
Roachdale
Stockton
San Jose
Anaheim
Fort Worth
Orlando
Kansas City
Cheyenne
New York
Pennsauken
Relay
Wash. DC
Tacoma …
אל/מ- לקוחות
peering
אל/מ- השדרה ….
POP: point-of-presence
רשתות תקשורת מחשבים 50

50. מבנה אינטרנט: רשת של רשתות
ספקי אינטרנט בשכבה השנייה (tier 2): קטנים יותר (לרוב מקומיים)- מחוברים לספק אחד או יותר מהשכבה הראשונה, וקיימת אפשרות גם לחיבור לספקים אחרים בשכבה השנייה
ספקי אינטרנט בשכבה השנייה גם שווי מעמד אחד לשני, ומחוברים ב-NAP
Tier-2 ISP
ספק מהשכבה השנייה משלם לספק מהשכבה הראשונה עבור חיבור לשאר האינטרנט
ספק מהשכבה השנייה הוא לקוח של הספק מהשכבה הראשונה
Tier 1 ISP
NAP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
רשתות תקשורת מחשבים 51

51. מבנה אינטרנט: רשת של רשתות
שכבה שלישית (tier 3): ספקי אינטרנט, וספקי אינטרנט מקומיים - קפיצה אחרונה ("גישה") של רשת (הכי קרובה למערכות הקצה)
local
ISP
Tier 3
ספקי אינטרנט מקומיים וספקים בשכבה השלישית הם לקוחות של ספקים בשכבה גבוהה יותר המקשרים אותם לאינטרנט
Tier-2 ISP
Tier-2 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
NAP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
רשתות תקשורת מחשבים 52

52. מבנה אינטרנט: רשת של רשתות
חבילה עוברת דרך מספר רב של רשתות!
local
ISP
Tier 3
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
Tier-2 ISP
Tier 1 ISP
NAP
Tier 1 ISP
Tier 1 ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
local
ISP
רשתות תקשורת מחשבים 53

53. The (inter)Network Layer
Host, router network layer functions:
Transport layer: TCP, UDP
IP protocol (IPv4, IPv6)
addressing conventions
datagram format
packet handling conventions
Routing protocols
path selection
RIP, OSPF, BGP
(Inter) Network
layer
forwarding
table
Queuing
ICMP protocol (self-read)
error reporting
router “signaling”
Quality of Service
Link layer
physical layer
רשתות תקשורת מחשבים 54

54. IPv4 Packet format: Simplified
IP protocol version
number
32 bits
total datagram
length (bytes)
header length
(words)
head.
len
ver
(ToS)
length
(fragmentation fields - later)
max number of
remaining hops
(decremented at
each router)
time to
live
Next protocol
IP Header
checksum
32 bit source IP address
Bytes
32 bit destination IP address
Identifies TCP, UDP or other protocol
to deliver payload to
Options (if any)
data
(variable length,
typically a TCP
or UDP segment)
רשתות תקשורת מחשבים 55

55. IPv4 Addressing: introduction
IP address: 32-bit identifier for host, router interface
As 4 decimal numbers (0 to 255)
interface: connection between host/router and physical link
Each interface has its own IP address
Routers have multiple interfaces (& IP addr)
Some hosts have multiple interfaces =
223 1 1 1
רשתות תקשורת מחשבים 56

56. IP Addressing (cont’) IP address: What’s a subnet?
network (subnet) part (high order bits)
host part (low order bits)
What’s a subnet?
device interfaces with same network part of IP address
can physically reach each other without intervening router
Subnet
internet consisting of 3 IP subnets
(for IP addresses starting with 223,
first 24 bits are network address)
רשתות תקשורת מחשבים 57

57. IP Forwarding Process: simple example
forwarding table in A
misc
fields
Dest. Net. next router Nhops
data
Starting at A, send IP datagram addressed to B:
Look up net. address of B in forwarding table
Find B is on same subnet as A
Link layer can route to B
Find link layer address of B
Details later
Pass packet to link layer
Link layer transfers datagram directly to B, inside a link-layer frame A B E
רשתות תקשורת מחשבים 58

58. IP Forwarding Process: another example
forwarding table in A
misc
fields
Dest. Net. next router Nhops
data
Starting at A, dest. E:
look up network address of E in forwarding table
E on different subnet
A, E not directly attached
routing table: next hop router to E is
link layer sends datagram to router inside link-layer frame
datagram arrives at
continued….. A B E
רשתות תקשורת מחשבים 59

59. Getting a datagram from source to dest.
forwarding table in router
Dest. Net router Nhops interface
misc
fields
data
Arriving at , destined for
look up network address of E in router’s forwarding table
E on same subnet as router’s interface
router, E directly attached
link layer sends datagram to inside link-layer frame via interface
datagram arrives at !!! A B E
רשתות תקשורת מחשבים 60

60. IP Addresses: network vs. host parts
Class-based addressing:
Initial IP addressing scheme, with four (or 5) classes of subnets: different size, MSbits:
class to A
network
host B to 10
network
host to C
110
network
host to D
1110
multicast address
32 bits
Subnet Mask: bits of network part of address
(class C), (class A),…
רשתות תקשורת מחשבים 61

61. IPv4 Address Space Exhaustion
32 bits  up to 232<1010 addresses
Class-based addressing is wasteful:
Class B net: 65K addresses even if it has only 2K hosts
Solutions…
CIDR: Classless InterDomain Routing
Arbitrary split of IP address into network and host parts (less waste)
Address format: a.b.c.d/x, where x is # bits in network portion of address (defines subnet mask)
Hierarchical addressing…
רשתות תקשורת מחשבים 62

62. CIDR: Classless InterDomain Routing
arbitrary length subnet part of IP address
address format: a.b.c.d/x, where x is # bits in subnet portion of address
Allows hierarchical addressing / supernetting: combine 2i subnets into one, as in: / /23 = /22
Hence route aggregation of subnets with common prefix, for smaller routing tables efficient routing!
subnet
part
host
/23
רשתות תקשורת מחשבים 63

63. CIDR Routing Tables For each target subnet...
Identifies output interface
Identify IP of next router
Or if this is final network
Subnet R O U T E R O U T E
Subnet
Interface IP
33.3.3/24
(final)
33.3.2/24
*.*.*
Subnet
Interface IP
33.3.2/24
(final)
*.*.*.*
Subnet
רשתות תקשורת מחשבים 64

64. CIDR Routing Tables…
Should we store, advertise an entry per each subnet?
Too many !!!
Storage: (O(n))
Search time: (O(lg n))
Subnet R O U T E R O U T E
Subnet
Interface IP
33.3.3/24
33.3.2/24 …
Subnet
רשתות תקשורת מחשבים 65

65. CIDR: Supernetting/Aggregation
Aggregate entries with same prefix
Into `larger` supernet (aggregate subnet)
Storage: in theory, could be only one entry per interface
Time: O(log(storage))…
Subnet R O U T E R O U T E
Subnet
Interface IP
33.3.2/23 …
Subnet
רשתות תקשורת מחשבים 66

66. Hierarchical addressing, route aggregation
Hierarchical addressing allows efficient advertisement of routing information, efficient routing tables…:
Organization 0
/23
Organization 1
/23
“Send me anything
with addresses
beginning
/20”
Organization 2
/23 .
Fly-By-Night-ISP .
Internet
Organization 7
/23
“Send me anything
with addresses
beginning
/16”
ISPs-R-Us
רשתות תקשורת מחשבים 67

67. Use Most Specific Route
ISPs-R-Us has a more specific route to Organization 1 (so use it!)
Organization 0
/23
“Send me anything
with addresses
beginning
/20”
Organization 2
/23 .
Fly-By-Night-ISP .
Internet
Organization 7
/23
“Send me anything
with addresses
beginning /16
or /23”
ISPs-R-Us
Organization 1
/23
רשתות תקשורת מחשבים 68

68. Subnet Address Allocation
Q: How does subnet get network IP address?
Hierarchical addressing: ISP allocates portion of its address space
allows route aggregation: Send me pkts beginning w/ /20
Q: How does an ISP get block of addresses?
ICANN: Internet Corp. for Assigned Names & Numbers
allocates addresses
manages Domain Name System (DNS)
Or: from a `higher level` ISP
רשתות תקשורת מחשבים 69

69. IP Address Allocation Q: How does host get IP address?
Hard-coded by system administrator…. Or…
DHCP: Dynamic Host Configuration Protocol: dynamically get address (and other parameters, e.g. subnet mask, … ) from DHCP server
For easier management, mobility
For saving on IP addresses: use only as needed
Details: later
רשתות תקשורת מחשבים 70

70. IPv4 Address Space Exhaustion (cont’)
32 bits  up to 232<1010 addresses
Class-based addressing wasteful:
class B net: 65K addresses even if it has only 2K hosts
Solutions…
CIDR: Classless InterDomain Routing
Network portion of address of arbitrary length (less waste)
DHCP - allocate addresses only when connected
Both help, but – not enough…
Other options:
Network Address/Port Translation (NAT or NAPT) [later]
Switch to IPv6 (128bits IP address)
Other improvements: QOS, security
רשתות תקשורת מחשבים 71

71. IPv6 vs. IPv4 Initial, main motivation: 128b IPv6 address
IPv4’s 32b address space is too small
Built-in support for QoS, Security
Extensions: IPv6 allows `next header` to be arbitrary extension (flexibility, options)
More efficient via…
No checksum: to reduce processing time at each hop
Fixed-length (40B) header (options: in extension)
No fragmentation of packets in IPv6 [later]
רשתות תקשורת מחשבים 72

72. Transition From IPv4 To IPv6
Not all routers can be upgraded simultaneous
no “flag days”
How will the network operate with mixed IPv4 and IPv6 routers?
Tunneling: IPv6 carried as payload in IPv4 datagram among IPv4 routers
Tunneling also used for other protocols
רשתות תקשורת מחשבים 73

73. Tunneling: IPv6 carried over IPv4B E F
IPv6
tunnel
Logical view:
Physical view: A B E F
IPv6
IPv4
רשתות תקשורת מחשבים 74

74. Tunneling: IPv6 carried over IPv4B E F
tunnel
Logical view:
IPv6
IPv6
IPv6
IPv6 A B C D E F
Physical view:
IPv6
IPv6
IPv4
IPv4
IPv6
IPv6
NH: tcp
Src: A
Dest: F
data
NH: tcp
Src: A
Dest: F
data
NP:IP6
Src:B
Dest: E
NP:IP6
Src:B
Dest: E
NH:tcp
Src: A
Dest: F
data
NH:tcp
Src: A
Dest: F
data
A-to-B:
IPv6
E-to-F:
IPv6
B-to-C:
IPv6 inside
IPv4
B-to-C:
IPv6 inside
IPv4
רשתות תקשורת מחשבים 75

75. IPv6 Header Priority: identify priority among datagrams in flow
Flow Label: identify datagrams in same “flow.”
(both used for QoS, not in this course).
Next header: identify upper layer protocol for data (TCP)
רשתות תקשורת מחשבים 76

76. IPv4 Header Data (`payload’ – variable length) IP protocol version
number
32 bits
total datagram
length (bytes)
header length
(bytes)
head.
len
type of
service
ver
length
for
fragmentation/
reassembly
“type” of data – for Quality of Service
fragment
offset
16-bit identifier
flgs
max number
remaining hops
(decremented at
each router)
time to
live
Next protocol
IP Header
checksum
32 bit source IP address
32 bit destination IP address
upper layer protocol
to deliver payload to
Options (if any)
E.g. timestamp,
record route
taken, specify
list of routers
to visit.
Data (`payload’ – variable length)
רשתות תקשורת מחשבים 77

77. IPv4 Header Data (`payload’ – variable length) 32 bits
Offset: 13b (in 8 bytes)
head.
len
type of
service
ver
length
D F
M F
R S V
fragment
offset
16-bit identifier
More Fragments
time to
live
Next protocol
IP Header
checksum
32 bit source IP address
Do not Fragment
32 bit destination IP address
Options (if any)
Data (`payload’ – variable length)
רשתות תקשורת מחשבים 78

78. IP Fragmentation & Reassembly
Links have MTU (Max.Transfer Unit) - largest link-level frame.
different link types, different MTUs
Large IP packet divided (“fragmented”) within net
one packet becomes several datagrams
“reassembled” only at final destination
Use IP header fields to identify, order related fragments (defragment)
fragmentation:
in: one large packet
out: 3 smaller packets
reassembly
רשתות תקשורת מחשבים 79

79. IP Fragmentation and Reassembly
Example
4000 byte packet (incl. 20 byte header)
MTU = 1500 bytes
Three fragments: 1500, 1500 and 1040 bytes
40 bytes for two extra headers
Offsets: 185*8=1480B, 370*8=2960B
Exercise: what happens if now sent over link with MTU=500 bytes? ID =x
offset =0
fragflag
length
=4000 =1
=1500
=185
=370
=1040
One large datagram becomes
several smaller datagrams
רשתות תקשורת מחשבים 80

80. Fragmentation Considered Harmful
Overhead:
Processing [Exercise: write algorithm]
Extra headers [Exercise: max extra bytes=??]
Sending fragment 2 when fragment 1 was lost
Solutions:
`No fragmentation here` (router sends ICMP)
`Do not Fragment (DF)` bit
Router sends back `packet too long` (via ICMP)
Discover minimal MTU in path, by divide-and-conquer
Use IPv6… (no fragmentation support)
רשתות תקשורת מחשבים 81

81. סיכום אינטרנט ונתבים סוגי עיכובים והשפעות תרחישים ועיכובים אופיניים
- עיכובי הפצה, העברה
- חלוקה למקטעים ו-pipelining
- עיכובי תורים ועיבוד
תרחישים ועיכובים אופיניים
- רעש (S/N), הפרעות
- החלשות ועיוות; ניתוקים, תדירות fc
שכבות פרוטוקול: גישת תכנון מודולרית
- בדרך כלל אינקפסולציה של מידע משכבה גבוהה יותר (הוספת פתיח ואפשרי גם סיומת)
רשתות תקשורת מחשבים 82

82. Large continuous streams of data slow down the network
רשתות תקשורת מחשבים 83

83. Breaking data in packets
רשתות תקשורת מחשבים 84

84. Packet components
Header
Data
Trailer
רשתות תקשורת מחשבים 85

85. The complete packet Application Header Data Presentation Header
Session Header
Transport Header
Network Header
Data Link Header
Frame Preamble
Data
Data Link Trailer (CRC)
Packet
רשתות תקשורת מחשבים 86

86. Packet creation process
Data
רשתות תקשורת מחשבים 87