Почему в основе интернета лежит ненадежный протокол без соединений?
Шпилевой Владислав Дмитриевич, 521
Научный руководитель: Волканов Дмитрий Юрьевич
План доклада
История развития интернета
- DARPA, первое соединение
- Коммутация каналов
- Коммутация пакетов
- Межсетевое взаимодействие
Internep Protocol
- Разбиение на пакеты
- Ненадежность
- Выводы
Сетевые модели
- OSI
- TCP/IP
- Взаимодействие уровней
DARPA, первое соединение
- 1962г. - работа Джозефа Карла Робнетта Ликлайдера "Галактическая сеть" [1].
- 1965г. - Томас Меррилл и Лоуренс Робертс, первое междугороднее соединение, программа DARPA [1].
dial up
Результаты: соединение возможно, но телефонная линия и коммутация каналов подходят плохо.
-
Leiner B. M. et al. A brief history of the Internet //ACM SIGCOMM Computer Communication Review. – 2009. – Т. 39. – No. 5. – С. 22-31
Коммутация каналов
- Нужна установка соединения
- Соединение занимает канальную емкость даже без передачи данных
- Использовалась в ранних телефонных сетях
Коммутация пакетов
- Разбивка на пакеты
- Каждый пакет по своему маршруту
Как работает?
- Альтернатива канальной коммутации
- Масштабируемость сети
Мотивация
Масштабируемость
Добавление узлов
Удаление узлов
Мотивация
- Разработка военных - нужно работать даже при ядерной войне [2]
- Простое расширение сети, автоматизация
2. Baran P. On distributed communications networks //IEEE transactions on Communications Systems. – 1964. – Т. 12. – No. 1. – С. 1-9.
Межсетевое взаимодействие
Как взаимодействовать?
ARPANET, ARPA Radio
NPL, CYCLADES
До 1977г. - каждый провайдер создает свои протоколы и соглашения:
- сложно создавать новые сети
- сложно взаимодействовать существующим
Решение: разработка стандартной модели взаимодействия и протоколов [3]
3. Zimmermann H. OSI reference model-the ISO model of architecture for open systems interconnection //IEEE Transactions on communications. – 1980. – Т. 28. – No. 4. – С. 425-432.
Сетевые модели: OSI
Open System Interconnection
Приложений
Представления
Сессий
Транспортный
Сетевой
Канальный
Физический
Уровень:
- Стек протоколов = декомпозиция одной сложной задачи на много простых
- OSI осталась теоретической моделью [4]
4. Forouzan B. A. TCP/IP protocol suite. – McGraw-Hill, Inc., 2002.
Сетевые модели: TCP/IP
Приложений
Транспортный
Сетевой
Канальный
Уровень:
Отличия от OSI:
- Объединены верхние три уровня и нижние два (иногда нет) [4]
- Используется на практике
4. Forouzan B. A. TCP/IP protocol suite. – McGraw-Hill, Inc., 2002.
Сетевые модели: TCP/IP
Канальный уровень
OSI физический
OSI канальный
+
=
- единица информации - бит
- взаимодействие двух узлов
- единица информации - кадры
- выбор между физическими интерфейсами
Сетевые модели: TCP/IP
Сетевой уровень
?
Протоколы маршрутизации
- единица информации - датаграммы
- взаимодействие множества узлов сети
- возможны дублирование, потеря пакетов, нарушение порядка доставки
Пример: Internet Protocol (IP)
Сетевые модели: TCP/IP
Транспортный уровень
- единица информации - пакеты
- разбиение пакетов на датаграммы
- выбор степени надежности доставки
- взаимодействие двух узлов
Пример: Transmission Control Protocol (TCP)
Надежность доставки
Сетевые модели: TCP/IP
Уровень приложений
Высокоуровневые протоколы, например:
- SMTP (Simple Mail Transfer Protocol)
- FTP (File Transfer Protocol)
- HTTP (Hypertext Transfer Protocol)
- NTP (Network Time Protocol)
Сетевые модели
Взаимодействие уровней
Правила разбиения [5]:
- Без фанатизма в размножении уровней
- Минимальные зависимости между уровнями
- Сильно разное назначение сервисов = разные уровни
- Похожая функциональность = один уровень
- Абстрактность интерфейсов
- Без "перескока" уровней
5. Zimmermann H. OSI reference model-the ISO model of architecture for open systems interconnection //IEEE Transactions on communications. – 1980. – Т. 28. – No. 4. – С. 425-432.
Сетевые модели
Взаимодействие уровней
Уровень
А
Б
Приложений
Транспортный
Сетевой
Канальный
...
Взаимодействие с тем же
уровнем другого узла сети
- Протокол каждого уровня добавляет заголовок
- Для обработки данных заголовок разбирается
Internet Protocol
Приложений
Транспортный
Сетевой
Канальный
Протокол маршрутизации
IP
- Ранее был объединен с TCP [6]
- Пакетная маршрутизация
- Единица информации - датаграммы
- Без установки соединения
- Без какой-либо надежности доставки
Ключевой протокол модели TCP/IP
6. Cerf V. G., Icahn R. E. A protocol for packet network intercommunication //ACM SIGCOMM Computer Communication Review. – 2005. – Т. 35. – No. 2. – С. 71-82.
Internet Protocol
Разбиение на пакеты
Каждый пакет идет своим маршрутом
Сечас расходы на маршрутизацию в сети Интернет из миллиардов узлов на скоростях порядка Гбит/c имеют значение
Почему так?
- исторически, IP - для объединения сетей с пакетной коммутацией с помощью шлюзов [7]
- ранее расходы на маршрутизацию не ощущались на скоростях Кбит/с и сетях < 1000 узлов [1]
- объективно, задача доставки и установки соединения с постоянным маршрутом - другой сетевой уровень
1. Leiner B. M. et al. A brief history of the Internet //ACM SIGCOMM Computer Communication Review. – 2009. – Т. 39. – No. 5. – С. 22-31.
7. Postel J. Internet Protocol RFC 791 //ARPANET Working Group Requests for Comments. – 1981. – No. 791.
Internet Protocol
Ненадежность доставки
Потеря или дублирование, нарушение порядка доставки датаграмм
Почему так?
- объективно, задача надежности доставки и доставки вообще - разные сетевые уровни. Пример: DCCP, UDP, RSVP [8]
- объективно, существуют накладные расходы на обеспечение надежности
- исторически, IP - "спасение" от канальной коммутации, отсутствие "дорогих" соединений
Создание "непровисающих" соединений снизило бы расходы на надежность
8. Zhang L. et al. Resource ReSerVation protocol (RSVP)--version 1 functional specification //Resource. – 1997.
Internet Protocol
Выводы
- Часть причин ненадежности и отсутствия соединений объективна, а часть сложилась исторически
- Модификация протокола, работающего на миллиардах устройств, является чрезвычайно сложным и долгим процессом
- Недостатки IP преодолевают более высокоуровневыми протоколами и технологиями (SDN, MPLS, QoS, Traffic Engineering ...)