Επίπεδο Εφαρμογής. 2.6 Εφαρμογές P2P 2.7 Προγραμματισμός socket με TCP 2.8 Προγραμματισμός socket με UDP

Transcript

1 Κεφάλαιο 2 Επίπεδο Εφαρμογής Computer Networking: A Top Down Approach, 4 th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July All material copyright J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Επιμέλεια Παρουσιάσεων στα Ελληνικά: (Draft) Α. Παναγάκης, Ι Σταυρακάκης 1 Κεφάλαιο 2: Επίπεδο πεδο εφαρμογής 2.1 Αρχές δικτυακών εφαρμογών 2.2 Web και HTTP 2.3 FTP 2.4 Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 Εφαρμογές P2P 2.7 Προγραμματισμός socket με TCP 2.8 Προγραμματισμός socket με UDP 2

2 Κεφάλαιο 2: Επίπεδο πεδο εφαρμογής Οι στόχοι μας: Αρχές και θέματα υλοποίησης πρωτοκόλλων δικτυακών εφαρμογών Μοντέλα υπηρεσιών επιπέδου μεταφοράς Μοντέλο πελάτη εξυπηρετητή (clientserver) Μοντέλο ομότιμων (peer-to-peer) peer) Μαθαίνουμε για τα πρωτόκολλα εξετάζοντας δημοφιλή πρωτόκολλα επιπέδου εφαρμογής HTTP FTP SMTP / POP3 / IMAP DNS Προγραμματισμός δικτυακών εφαρμογών socket API 3 Μερικές δικτυακές εφαρμογές IP τηλεφωνία (voice over IP) Τηλεσυνδιάσκεψη πραγματικού χρόνου (real- time video conferencing) Υπολογισμοί πλέγματος (grid computing) Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο ( ) Ιστός (web) Στιγμιαία μηνύματα (instant messaging) remote login Κοινή χρήση αρχείων μεταξύ ομότιμων(p2p file sharing) ικτυακά παιχνίδια πολλών χρηστών (multi-user network games) Ροή αποθηκευμένου βίντεο (streaming stored video clips) 4

3 ημιουργώντας μια δικτυακή εφαρμογή Ανάπτυξη προγραμμάτων που Τρέχουν ρχ σε (διαφορετικά) φ ρ τερματικά συστήματα Επικοινωνούν πάνω από το δίκτυο π.χ., το λογισμικό του εξυπηρέτη web επικοινωνεί με το λογισμικό του browser εν υπάρχει ανάγκη να γραφεί λογισμικό για συσκευές του πυρήνα του δικτύου Οι συσκευές του πυρήνα του δικτύου δεν τρέχουν εφαρμογές χρήστη Το ότι οι εφαρμογές είναι στα τερματικά συστήματα επιτρέπει την ταχεία ανάπτυξη, διάδοσή τους application transportt network data link physical application transport network data link physical application transport network data link physical 5 Κεφάλαιο 2: Επίπεδο πεδο εφαρμογής 2.1 Αρχές δικτυακών εφαρμογών 2.2 Web και HTTP 2.3 FTP 2.4 Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 Εφαρμογές P2P 2.7 Προγραμματισμός socket με TCP 2.8 Προγραμματισμός socket με UDP Κατασκευάζοντας έναν εξυπηρέτη Web 6

4 Αρχιτεκτονικές κές εφαρμογών Πελάτη-εξυπηρέτη εξυπηρέτη (Client-server) Μεταξύ ομότιμων (Peer-to-peer (P2P)) Υβριδική των «πελάτη-εξυπηρέτη» εξυπηρέτη» και «μεταξύ ομοτίμων» 7 Αρχιτεκτονική κή πελάτη-εξυπηρέτηεξυπηρέτη client/server Εξυπηρέτης (server): ιαρκώς ενεργός υπολογιστής Μόνιμη διεύθυνση IP Ομάδες εξυπηρετών (server farms) για κλιμάκωση Πελάτες (clients): Επικοινωνούν με τον εξυπηρέτη Ενδεχομένως έχουν διακοπτόμενη σύνδεση Εδ Ενδεχομένως έχουν δυναμική διεύθυνση IP εν επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους 8

5 Αρχιτεκτονική αμιγώς μεταξύ ομότιμων (pure P2P) εν υπάρχει διαρκώς ενεργός εξυπηρέτης Τυχαία τερματικά συστήματα επικοινωνούν απευθείας μεταξύ τους ιακοπτόμενη ακοπτόμε σύνδεση των ομότιμων και αλλαγή των διευθύνσεων IP peer-peer Υψηλή δυνατότητα κλιμάκωσης αλλά δυσκολία στη διαχείριση 9 Υβριδική των «πελάτη-εξυπηρέτη» και «μεταξύ ομότιμων» μων» Skype P2P εφαρμογή τηλεφωνίας IP (voice-over-ip) Κεντρικοποιημένος εξυπηρέτης: εύρεση διεύθυνσης απομακρισμένου μέρους (remote party): Σύνδεση πελάτη-πελάτη: απευθείας (όχι μέσω εξυπηρέτη) Στιγμιαία μηνύματα (instant messaging) To chatting μεταξύ δύο χρηστών είναι P2P Κεντρικοποιημένη υπηρεσία: ανίχνευση παρουσίας / θέσης πελάτη Ο χρήστης εγγράφει τη διεύθυνση IP του σε κεντρικό εξυπηρέτη όταν γίνεται ενεργός (online) Ο χρήστης έρχεται σε επαφή με κεντρικό εξυπηρέτη για να μάθει τη διεύθυνση των φίλων του 10

6 ιεργασίες εργασες που επικοινωνούν ιεργασία (process): πρόγραμμα που τρέχει σε ένα υπολογιστή Στον ίδιο υπολογιστή, δύο διεργασίες επικοινωνούν χρησιμοποιώντας διαδιεργασιακή επικοινωνία (ορίζεται από το λειτουργικό). Οι διεργασίες σε διαφορετικούς υπολογιστές επικοινωνούν ανταλλάσσοντας μηνύματα (messages) ιεργασία πελάτης: διεργασία που εκκινά την επικοινωνία ιεργασία εξυπηρέτης: διεργασία που αναμένει να επικοινωνήσουν μαζί της Σημείωση: εφαρμογές με αρχιτεκτονικές P2P έχουν διεργασίες πελάτες και διεργασίες εξυπηρέτες 11 Sockets Socket / API (Application i Programmer s Interface) / socket είναι η διεπαφή ανάμεσα στην εφαρμογή και το δίκτυο (επίπεδο μεταφοράς) της διεργασίας παραλήπτη Η διεργασία στέλνει/λαμβάνει μηνύματα στο/από το socket της socket ανάλογο πόρτας Η διεργασία αποστολέας στέλνει μήνυμα έξω από την πόρτα Η διεργασία αποστολέας βασίζεται στην υποδομή μεταφοράς στην άλλη πλευρά της πόρτας που φέρνει το μήνυμα στη socket της διεργασίας παραλήπτη host or server process socket TCP with buffers, variables controlled by app developer controlled by OS Internet host or server process socket TCP with buffers, variables Application programmer : πλήρη έλεγχο στην εφαρμογή, ελάχιστο στο επίπεδο μεταφοράς : (1) επιλογή πρωτοκόλλου μεταφοράς, (2) δυνατότητα καθορισμού μερικών παραμέτρων (πολύ περισσότερα γι αυτά αργότερα) 12

7 ιευθυνσιοδότηση η διεργασιών Για να λαμβάνει μία διεργασία μηνύματα πρέπει να έχει ένα αναγνωριστικό (identifier) Κάθε υπολογιστής έχει μία μοναδική 32-bit διεύθυνση IP Ε: Αρκεί η ΙΡ διεύθυνση του υπολογιστή που τρέχει η διεργασία για την αναγνώριση της διεργασίας? 13 ιευθυνσιοδότηση η διεργασιών Για να λαμβάνει μία διεργασία μηνύματα πρέπει να έχει ένα αναγνωριστικό (identifier) Κάθε υπολογιστής έχει μία μοναδική 32-bit διεύθυνση IP Ε: Αρκεί η ΙΡ διεύθυνση του υπολογιστή που τρέχει η διεργασία για την αναγνώριση της διεργασίας; A: Όχι, πολλές διεργασίες μπορεί να τρέχουν στον ίδιο υπολογιστή Η ταυτότητα περιλαμβάνει τόσο τη διεύθυνση IP όσο και τον αριθμό θύρας (port number) που σχετίζεται με τη διεργασία στον υπολογιστή Παραδείγματα αριθμών θύρας: Εξυπηρέτης HTTP: 80 Εξυπηρέτης Mail: 25 Για να σταλεί μήνυμα HTTP στον εξυπηρέτη web gaia.cs.umass.edu: ιεύθυνση IP: Αριθμός θύρας: 80 Περισσότερα σε λίγο 14

8 Ένα πρωτόκολλο επιπέδου εφαρμογής ορίζει ρζ Τα είδη των μηνυμάτων που ανταλλάσσονται, π.χ. αίτηση, απόκριση Σύνταξη μηνύματος: πεδία στα μηνύματα & πως αυτά διαχωρίζονται Σημασιολογία των πεδίων σημασία της πληροφορίας των πεδίων Κανόνες για το πότε και πώς οι δε διεργασίες στέλνουν και απαντούν σε μηνύματα πρωτόκολλα δημοσίου πεδίου: ορίζονται στα RFCs επιτρέπουν τη διαλειτουργικότητα (interoperability) π.χ. HTTP, SMTP ιδιοταγή πρωτόκολλα: π.χ. Skype 15 Τι υπηρεσίες μεταφοράς απαιτούν οι εφαρμογές; Απώλειες δεδομένων κάποιες εφαρμογές (π.χ. ήχου), ανέχονται κάποιες απώλειες άλλες εφαρμογές (π.χ. μεταφορά αρχείου, telnet) απαιτούν 100% αξιόπιστη ξό μεταφορά δεδομένωνδ Χρονισμός κάποιες εφαρμογές (π.χ. τηλεφωνία ιαδικτύου, διαδραστικά παιχνίδια) απαιτούν χαμηλή καθυστέρηση για να είναι «αποτελεσματικές» Throughput Κάποιες εφαρμογές (π.χ., multimedia) απαιτούν κάποιο ελάχιστο throughput για να είναι «αποτελεσματικές» Άλλες εφαρμογές («ελαστικές») «βολεύονται» με όσο throughput πάρουν Ασφάλεια (Security) Κρυπτογράφηση (Encryption), ακεραιότητα δεδομένων (data integrity) 16

9 Υπηρεσίες μεταφοράς που απαιτούν κοινές εφαρμογές Εφαρμογή Απώλεια δδ δεδομένων Throughput Ευαισθησία ως προς το χρόνο Μεταφορά Όχι απώλειες ελαστική όχι αρχείου Όχι απώλειες ελαστική όχι Έγγραφα Web Όχι απώλειες ελαστική όχι Ήχος/ βίντεο Ανοχή στις ήχος: 5kbps-1Mbps, ναι, 100δες msec πραγματικού χρόνου απώλειες βίντεο:10kbps- 5Mbps Αποθηκευμένος Ανοχή στην ίδια με παραπάνω ναι, λιγά secs ήχος/βίντεο απώλειες ιαδραστικά Ανοχή στην ως λίγα kbps ναι, 100δες msec παιχνίδια απώλειες Στιγμιαία μηνύματα Όχι απώλειες ελαστική ναι και όχι 17 Υπηρεσίες των πρωτοκόλλων μεταφοράς του ιαδικτύου αδκτύ υπηρεσία του TCP: συνδεσιστρεφής (connectionoriented): απαιτείται αρχικοποίηση μεταξύ διεργασιών πελάτη και εξυπηρέτη αξιόπιστη ξό μεταφορά δεδομένων δ μεταξύ διεργασίας αποστολής και λήψης έλεγχος ροής(flow control): ο αποστολέας δεν υπερφορτώνει τον παραλήπτη Έλεγχος συμφόρησης(congestion control: ): επιβράδυνση αποστολέα όταν το δίκτυο είναι υπερφορτωμένο δεν παρέχει: εγγυήσεις ως προς χρόνο, ελάχιστο throughput, ασφάλεια υπηρεσία του UDP: αναξιόπιστη μεταφορά δεδομένων μεταξύ διεργασίας αποστολής και λήψης δεν παρέχει: αρχικοποίηση σύνδεσης, αξιοπιστία, έλεγχο ροής, έλεγχο συμφόρησης, εγγύηση ως προς το χρόνο ή το throughput Ε: Γιατί υπάρχει το UDP? 18

10 Εφαρμογές ιαδικτύου: πρωτόκολλo εφαρμογής, μεταφοράς Εφαρμογή Πρωτόκολλο Πρωτόκολλο εφαρμογής μεταφοράς Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο E- SMTP [RFC 2821] TCP mail Απομακρυσμένη μ προσπέλαση Telnet [RFC 854] TCP τερματικού Web HTTP [RFC 2616] TCP Μεταφορά αρχείων FTP [RFC 959] TCP Πολυμέσα συνεχούς ροής HTTP (π.χ. Youtube), TCP ή UDP RTP[RFC 1889] Τηλεφωνία ιαδικτύου SIP, RTP, ιδιοταγές τυπικά UDP (π.χ. χ Skype) 19 Κεφάλαιο 2: Επίπεδο πεδο εφαρμογής 2.1 Αρχές δικτυακών εφαρμογών Αρχιτεκτονικές εφαρμ. Απαιτήσεις εφαρμ. 2.2 Web και HTTP 2.3 FTP 2.4 Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 Εφαρμογές P2P 2.7 Προγραμματισμός socket με TCP 2.8 Προγραμματισμός socket με UDP 20

11 Web και HTTP Πρώτα λίγη αργκό Μία ιστοσελίδα (Web page) αποτελείται από αντικείμενα (objects) Το αντικείμενο μπορεί να είναι αρχείο HTML, εικόνα JPEG, Java applet, αρχείο ήχου,... Η σελίδα Web αποτελείται από ένα βασικό αρχείο HTML που περιλαμβάνει διάφορα αντικείμενα στα οποία γίνεται αναφορά Κάθε αντικείμενο διευθυνσιοδοτείται με ένα URL παράδειγμα URL: όνομα υπολογιστή όνομα διαδρομής 21 Επισκόπηση η του HTTP HTTP: HyperText Transfer Protocol (Πρωτόκολλο Μεταφοράς Υπερκειμένου) Πρωτόκολλο επιπέδου εφαρμογής του Web Μοντέλο πελάτη/εξυπηρέτη πελάτης(client): browser ζητά, λαμβάνει, δείχνει αντικείμενα του Web εξυπηρέτης (server): Web server στέλνει αντικείμενα σαν απόκριση σε αιτήσεις PC running Explorer Mac running Navigator Server running Apache Web server 22

12 Eπισκόπηση η η του HTTP (συνέχεια) χ Χρησιμοποιεί TCP: ο πελάτης ξεκινά σύνδεση TCP με τον εξυπηρέτη (δημιουργεί socket), θύρα 80 ο εξυπηρέτης αποδέχεται τη σύνδεση TCP από τον πελάτη ανταλλάσσονται μηνύματα HTTP (μηνύματα πρωτοκόλλου επιπέδου εφαρμογής) μεταξύ browser (πελάτης HTTP) και Web server (εξυπηρέτης HTTP) κλείνει η σύνδεση TCP Το HTTP είναι ακαταστατικό (stateless) ο εξυπηρέτης δε διατηρεί πληροφορία σχετικά με προηγούμενες αιτήσεις του πελάτη παρενθετικά Τα πρωτόκολλα που διατηρούν στο περιθώριο ρ την κατάσταση (state) είναι πολύπλοκα πρέπει να διατηρείται προηγούμενη ιστορία (κατάσταση) αν ο εξυπηρέτης /πελάτης καταρρεύσει, οι απόψεις τους για την κατάσταση μπορεί να μην είναι συνεπείς, και να πρέπει να συγκεραστούν server (εξυπηρέτης HTTP) αν ο εξυπηρέτης /πελάτης 23 Συνδέσεις HTTP Mη η παραμένον HTTP (Nonpersistent HTTP) Στέλνετaι τo πολύ ένα αντικείμενο πάνω από μία σύνδεση TCP Παραμένον HTTP (Persistent HTTP) Πολλαπλά αντικείμενα μπορεί να σταλούν πάνω από την ίδια σύνδεση TCP μεταξύ πελάτη και εξυπηρέτη 24

13 Μη παραμένον HTTP Υποθέστε ότι ο χρήστης εισάγει το URL (περιέχει κείμενο, αναφορές σε 10 εικόνες jpeg) χρόνος 1a. Ο πελάτης HTTP ξεκινά σύνδεση TCP προς τη διεργασία του εξυπηρέτη HTTP στο στη θύρα Ο HTTP client στέλνει HTTP μήνυμα αίτησης (request message) (που περιέχει το URL) στη socket της σύνδεσης TCP. Το μήνυμα υποδεικνύει ότι ο client θέλει το αντικείμενο somedepartment/home.index 1b. Ο εξυπηρέτης HTTP στον υπολογιστή Sh περιμένει σύνδεση TCP στη θύρα 80 αποδέχεται τη σύνδεση, ειδοποιεί ε τον πελάτη 3. Ο εξυπηρέτης HTTP λαμβάνει το μήνυμα αίτησης, σχηματίζει μήνυμα απόκρισης (response message) που περιέχει το αντικείμενο που ζητήθηκε και στέλνει το μήνυμα στη socket του 25 Μη παραμένον HTTP (συνέχεια) 4. Ο εξυπηρέτης HTTP κλείνει τη σύνδεση TCP χρόνος 5. Ο πελάτης HTTP λαμβάνει το μήνυμα απόκρισης που περιέχει το html αρχείο, απεικονίζει την html. Επεξεργαζόμενος το html αρχείο, βρίσκει 10 αναφερόμενα αντικείμενα jpeg 6. Τα βήματα 1-5 επαναλαμβάνονται για καθένα από τα 10 αντικείμενα jpeg 26

14 Μοντελοποίηση του χρόνου απόκρισης Ορισμός του RΤT: ο χρόνος που απαιτείται για ένα μικρό πακέτο για να ταξιδέψει από τον πελάτη στον εξυπηρέτη και πίσω Χρόνος απόκρισης: ένα RTT για την έναρξη της σύνδεσης TCP ένα RTT για την αίτηση HTTP και επιστροφή των πρώτων bytes της απόκρισης HTTP χρόνος μετάδοσης αρχείου σύνολο = 2RTT + χρόνος μετάδοσης initiate TCP connection RTT request file RTT file received time time time to transmit file 27 Παραμένον HTTP Θέματα με το μη παραμένον HTTP: απαιτεί 2 RTT ανά αντικείμενο το λειτουργικό επιβαρύνεται για κάθε σύνδεση TCP οι browsers ανοίγουν συχνά παράλληλες συνδέσεις TCP για να φέρουν αντικείμενα που αναφέρονται Παραμένον HTTP ο εξυπηρέτης η αφήνει τη σύνδεση ανοιχτή αφού στείλει την απόκριση τα επόμενα HTTP μηνύματα μεταξύ του ίδιου πελάτη / εξυπηρέτη στέλνονται μέσω της ανοιχτής σύνδεσης ο πελάτης στέλνει αιτήσεις μόλις συναντήσει αναφερόμενο αντικείμενο ένα RTT για όλα τα αντικείμενα που αναφέρονται 28

15 Μήνυμα αίτησης ης HTTP δύο είδη HTTP μηνυμάτων : αίτηση (request), απόκριση (response) μήνυμα HTTP αίτησης : ASCII (μορφή αναγνώσιμη από τον άνθρωπο) γραμμή αίτησης (request line) (εντολές GET, POST, HEAD) γραμμές κεφαλίδας (header lines) GET /somedir/page.html HTTP/1.1 Host: edu User-agent: Mozilla/4.0 Connection: close Accept-language:fr Χαρακτήρας επιστροφής (carriage return), τροφοδότηση γραμμής (line feed) υποδεικνύει το τέλος του μηνύματος (extra carriage return, line feed) 29 Μήνυμα αίτησης ης HTTP: γενική μορφή 30

16 «Ανεβάζοντας» β ζ ς είσοδο φόρμας Μέθοδος POST : Μια σελίδα Web συχνά περιλαμβάνει είσοδο φόρμας Η είσοδος ανεβάζεται στον εξυπηρέτη στο σώμα οντότητας (entity body) Μέθοδος URL : Χρησιμοποιεί τη μέθοδο GET H είσοδος ανεβάζεται στο πεδίο URL της γραμμής αίτησης: 31 Τύποι μεθόδων HTTP/1.0 GET POST HEAD ζητά από τον εξυπηρέτη να εξαιρέσει το ζητούμενο αντικείμενο από την απόκριση HTTP/1.1 GET, POST, HEAD PUT Ανεβάζει το αρχείο στο σώμα οντότητας στη διαδρομή (path) που προσδιορίζεται στο πεδίο URL DELETE διαγράφει το αρχείο που προσδιορίζεται στο πεδίο URL 32

17 Μήνυμα απόκρισης HTTP γραμμή κατάστασης (status line) (πρωτόκολλο, κώδικας κατάστασης, φράση κατάστασης) γραμμές κεφαλίδας (header lines) δεδομένα, π.χ. αρχείο HTML που ζητήθηκε HTTP/ OK Connection close Date: Thu, 06 Aug :00:15 GMT Server: Apache/1.3.0 (Unix) Last-Modified: Mon, 22 Jun Content-Length: 6821 Content-Type: text/html data data data data data Κώδικες απόκρισης κατάστασης HTTP Στην πρώτη γραμμή του μηνύματος απόκρισης από τον εξυπηρέτη στον πελάτη. Μερικά παραδείγματα κωδικών : 200 OK επιτυχής αίτηση, το ζητούμενο αντικείμενο ακολουθεί αργότερα στο ίδιο μήνυμα 301 Moved Permanently το ζητούμενο αντικείμενο μετακινήθηκε,, η νέα θέση προσδιορίζεται ρ αργότερα σε αυτό το μήνυμα (Location:) 400 Bad Request το μήνυμα μ αίτησης ης δεν ήταν κατανοητό από τον εξυπηρέτη η 404 Not Found το ζητούμενο έγγραφο δε βρέθηκε σε αυτό τον εξυπηρέτη 505 HTTP Version Not Supported 34

18 οκιμάζοντας το HTTP (πλευρά ρ του client) 1. Κάντε telnet στον αγαπημένο σας Web server : telnet cis.poly.edu 80 Ανοίγει σύνδεση TCP στη θύρα 80 (προκαθορισμένη θύρα του εξυπηρέτη HTTP) στο cis.poly.edu. Ότι πληκτρολογηθεί στέλνεται στη θύρα 80 στο cis.poly.edu 2. Πληκτρολογείστε μια αίτηση GET του HTTP : GET /~ross/ HTTP/1.1 Host: cis.poly.edu πληκτρολογώντας αυτό (πατήστε enter δυο φορές) στέλνετε αυτή την ελάχιστη (αλλά πλήρη) αίτηση GET στον HTTP server 3. είτε το μήνυμα απόκρισης που στέλνει ο HTTP server! 35 Κατάσταση χρήστη-εξυπηρέτη: ηρ η cookies Πολλοί σημαντικοί ιστοχώροι (Web sites) χρησιμοποιούν cookies Τέσσερα στοιχεία: 1) γραμμή κεφαλίδας cookie στο μήνυμα απόκρισης HTTP 2) γραμμή κεφαλίδας cookie στο μήνυμα αίτησης HTTP 3) αρχείο cookie κρατείται στον υπολογιστή του χρήστη και το διαχειρίζεται ο browser 4) Μια βάση δεδομένων υποστήριξης στον ιστοχώρο Παράδειγμα: Η Susan προσπελαύνει το ιαδίκτυο πάντοτε από το PC Επισκέπτεται συγκεκριμένο ιστοχώρο ηλεκτρονικού εμπορίου για πρώτη φορά Όταν φτάνει η αρχική αίτηση HTTP στον ιστοχώρο, ο ιστοχώρος φτιάχνει: μοναδικό ID Καταχώρηση για το ID στη βάση δεδομένων υποστήριξης 36

19 Cookies: διατήρηση κατάστασης (συνέχεια) client ebay 8734 cookie file ebay 8734 amazon 1678 one week later: ebay 8734 amazon 1678 usual http request msg usual http response Set-cookie: 1678 server Amazon server creates ID 1678 for user create entry usual http request msg cookie: 1678 cookie- access specific usual http response msg action access usual http request msg cookie: 1678 cookiespectific usual http response msg action backend database 37 Cookies (συνέχεια) Τα cookies προσφέρουν : εξουσιοδότηση κάρτες αγορών συστάσεις κατάσταση της συνεδρίας του χρήστη (Web ) παρενθετικά Cookies και ιδιωτικότητα: Τα cookies επιτρέπουν σε ιστοχώρους να μάθουν πολλά για εσάς Μπορεί να δώσετε όνομα και σε ιστοχώρους Πως διατηρείται η «κατάσταση»: Τα τερματικά σημεία του πρωτοκόλλου: διατηρούν κατάσταση στον αποστολέα/δέκτη για πολλαπλές συναλλαγές cookies: τα μηνύματα http κουβαλούν κατάσταση 38

20 Web caches (proxy server) Σκοπός: να εξυπηρετούνται κάποιες αιτήσεις πελατών χωρίς εμπλοκή του εξυπηρέτη προέλευσης Ο χρήστης παραμετροποιεί origin το browser: πρόσβαση στο server Web μέσω τηςcache Proxy Ο browser στέλνει όλες τις server αιτήσεις HTTP στην cache Το αντικείμενο στην cache: η cache επιστρέφει το αντικείμενο ιαφορετικά η cache ζητά το αντικείμενο από τον εξυπηρέτη προέλευσης, μετά επιστρέφει το αντικείμενο στον πελάτη client client origin server 39 Περισσότερα για το Web caching Η cache δρα τόσο ως πελάτης όσο και ως εξυπηρέτης Τυπικά η cache εγκαθίσταται από τον ISP (πανεπιστήμιο, εταιρία, περιφερειακός ISP) Γιατί Web caching? Μείωση του χρόνου απόκρισης των αιτήσεων πελατών Μείωση της κίνησης στη ζεύξη πρόσβασης ενός οργανισμού Το ιαδίκτυο πυκνό με caches: επιτρέπει σε «φτωχούς» πάροχους περιεχομένου να παραδίδουν αποτελεσματικά το περιεχόμενό τους (το ίδιο επιτυγχάνει και η P2P κοινή χρήση αρχείων) 40

21 Παράδειγμα Caching Υποθέσεις Μέσο μέγεθος αντικειμένου = 100,000 bits Μέσος ρυθμός αιτήσεων από τους browsers του ιδρύματος προς τους εξυπηρέτες προέλευσης = 15/sec Καθυστέρηση από το δρομολογητή του ιδρύματος προς κάθε εξυπηρέτη προέλευσης και πίσω στο δρομολογητή = 2 sec Συνέπειες utilization στο LAN = 15% utilization στη ζεύξη πρόσβασης = 100% (ένταση κίνησης 1! επόμενη διαφάνεια) Συνολική καθυστέρηση = καθυστέρηση ιαδικτύου + καθυστέρηση πρόσβασης + καθυστέρηση LAN = 2 sec + minutes + milliseconds institutional network public Internet 1.5 Mbps access link 10 Mbps LAN origin servers institutional cache 41!!! Υπενθύμιση από Κεφ 1!!! Καθυστέρηση αναμονής στην ουρά R= bandwidth ζεύξης (bps) L= μήκος πακέτου (bits) a= ρυθμός άφιξης πακέτων ένταση κίνησης (traffic intensity) = La/R La/R ~ 0: μικρή μέση καθυστέρηση αναμονής στην ουρά La/R -> 1: οι καθυστερήσεις γίνονται μεγάλες La/R > 1: φτάνει περισσότερο έργο από αυτό που μπορεί να εξυπηρετηθεί, μέση καθυστέρηση άπειρη Εισαγωγή 1-42

22 Παράδειγμα Caching g( (συνέχεια) χ Πιθανές λύσεις Αύξηση η του εύρους ζώνης της ζεύξης πρόσβασης σε, π.χ., 10 Mbps συνέπεια Ένταση της κίνησης (utilization) στο LAN = 15% Ένταση της κίνησης στη ζεύξη ζύξ πρόσβασης = 15% Συνολική καθυστέρηση = καθυστέρηση ιαδικτύου + καθυστέρηση πρόσβασης + καθυστέρηση LAN=2 sec + msecs + msecs Συχνά μια δαπανηρή αναβάθμιση institutional network public Internet 10 Mbps access link 10 Mbps LAN origin servers institutional cache 43 Παράδειγμα Caching g( (συνέχεια) χ Πιθανή λύση: εγκατάσταση cache Υποθέστε ότι ο ρυθμός επιτυχίας (hit rate) είναι 0.4 συνέπεια 40% των αιτήσεων θα ικανοποιηθούν σχεδόν άμεσα 60% των αιτήσεων ικανοποιείται από εξυπηρέτη προέλευσης Η ένταση της κίνησης της ζεύξης πρόσβασης μειώνεται κατά 60%, με αποτέλεσμα αμελητέες καθυστερήσεις (π.χ. 10 msec) Συνολική μέση καθυστέρηση = καθυστέρηση ιαδικτύου + καθυστέρηση πρόσβασης + καθυστέρηση LAN =.6*(2.01) secs +.4*milliseconds < 1.4 secs institutional network public Internet 1.5 Mbps access link 10 Mbps LAN origin servers institutional cache 44

23 Το Get υπό συνθήκη (Conditional GET) Σκοπός: να μην στέλνεται το cache server αντικείμενο αν η cache έχει ενήμερη (up-to-date) έκδοση cache: καθορίζει την ημερομηνία του αποθηκευμένου αντιγράφου στην αίτηση HTTP If-modified-since: <date> εξυπηρέτης: η απόκριση δεν περιέχει αντικείμενο αν το αντίγραφο στην cache δεν έχει τροποποιηθεί: HTTP/ Not Modified HTTP request msg If-modified-since: <date> HTTP response HTTP/ Not Modified HTTP request msg If-modified-since: <date> HTTP response HTTP/ OK <data> object not modified object modified 45 Κεφάλαιο 2: Επίπεδο πεδο εφαρμογής 2.1 Αρχές δικτυακών εφαρμογών 2.2 Web και HTTP 2.3 FTP 2.4 Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 Εφαρμογές P2P 2.7 Προγραμματισμός socket με TCP 2.8 Προγραμματισμός socket με UDP Κατασκευάζοντας έναν εξυπηρέτη Web 46

24 Το πρωτόκολλο μεταφοράς αρχείου (FTP - File Transfer Protocol) user at host FTP user interface FTP client local file system fl file transfer FTP server remote file system μεταφορά αρχείων προς/από απομακρυσμένο υπολογιστή μοντέλο πελάτη/εξυπηρέτη πελάτης (client): ο υπολογιστής που ξεκινά τη μεταφορά (είτε προς είτε από τον απομακρυσμένο υπολογιστή) εξυπηρέτης (server): απομακρυσμένος υπολογιστής ftp: RFC 959 ftp server: θύρα FTP: ξεχωριστές ξχ συνδέσεις ελέγχου,, δεδομένων TCP control connection Ο πελάτης FTP έρχεται σε επαφή με port 21 τον εξυπηρέτη FTP στη θύρα 21, το πρωτόκολλο μεταφοράς είναι TCP Ο πελάτης παίρνει εξουσιοδότηση TCP data connection μέσω της σύνδεσης ελέγχου FTP port 20 FTP Ο πελάτης προσπελαύνει τον client server απομακρυσμένο φάκελο στέλνοντας εντολές πάνω από τη σύνδεση Ο εξυπηρέτης ανοίγει μια άλλη ελέγχου TCP σύνδεση δεδομένων για να Όταν οεξυπηρέτηςπάρει μια εντολή μεταφέρει ένα άλλο αρχείο. για μια μεταφορά αρχείου, ο εξυπηρέτης ανοίγει 2 η σύνδεση TCP Σύνδεση ελέγχου: εξωζωνικά (για το αρχείο) με τον πελάτη. ( out of band ) Αφού μεταφερθεί ένα αρχείο ο Ο εξυπηρέτης FTP διατηρεί εξυπηρέτης κλείνει τη σύνδεση «κατάσταση»: τρέχων δεδομένων κατάλογος, προηγούμενη ταυτοποίηση 48

25 Eντολές, αποκρίσεις FTP Παράδειγμα εντολών: Στέλνοται ως κείμενο ASCII πάνω από το κανάλι ελέγχου USER username PASS password LIST επιστρέφει λίστα των αρχείων στον τρέχοντα κατάλογο RETR filename ανακτά αρχείο STOR filename αποθηκεύει αρχείο (put) στον απομακρυσμένο υπολογιστή Παράδειγμα κωδικών απόκρισης: κωδικός κατάστασης και φράση (όπως στο HTTP) 331 Username OK, password required 125 data connection already open; transfer starting 425 Can t open data connection 452 Error writing file 49 Κεφάλαιο 2: Επίπεδο πεδο εφαρμογής 2.1 Αρχές δικτυακών εφαρμογών 2.2 Web και HTTP 2.3 FTP 2.4 Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 Εφαρμογές P2P 2.7 Προγραμματισμός socket με TCP 2.8 Προγραμματισμός socket με UDP 50

26 Ηλεκτρονικό Ταχυδρομείο Τρία κύρια συστατικά μέρη: Πράκτορες χρήστη (user agents) Εξυπηρέτες ταχυδρομείου (mail servers) simple mail transfer protocol: SMTP (απλό πρωτόκολλο μεταφοράς αλληλογραφίας) Πράκτορας Χρήστη (User Agent) ηλ. mail reader (αναγνώστης ταχυδρομείου) Σύνθεση, επεξεργασία, ανάγνωση μηνυμάτων αλληλογραφίας Π.χ., Eudora, Outlook, elm, Mozilla Thunderbird Εξερχόμενα, εισερχόμενα μηνύματα αποθηκευμένα στον εξυπηρέτη user agent mail server SMTP mail server user agent SMTP SMTP user agent outgoing message queue mail server user mailbox user agent user agent user agent 51 Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο: εξυπηρέτες ταχυδρομείου υ (mail servers) Εξυπηρέτες Ταχυδρομείου (Mail Servers) η ταχυδρομική θυρίδα (mailbox) περιέχει τα εισερχόμενα μηνύματα για το χρήστη Ουρά εξερχομένων μηνυμάτων αλληλογραφίας που πρέπει να σταλούν Πρωτόκολλο SMTP μεταξύ mail servers για την αποστολή πελάτης : εξυπηρέτης ταχυδρομείου αποστολέας «εξυπηρέτης»: ξ εξυπηρέτης ταχυδρομείου παραλήπτης user agent mail server SMTP mail server user agent SMTP SMTP user agent mail server user agent user agent user agent 52

27 Ηλεκτρονικό Ταχυδρομείο: SMTP [RFC 2821] χρησιμοποιεί TCP για την αξιόπιστη μεταφορά μηνυμάτων από τον πελάτη στον εξυπηρέτη, θύρα 25 Απευθείας μεταφορά: από τον εξυπηρέτη αποστολέα προς τον εξυπηρέτη παραλήπτη Τρεις φάσεις της μεταφοράς χειραψία (χαιρετισμός) μεταφορά μηνυμάτων τερματισμός Αλληλεπίδραση εντολής/απόκρισης εντολές: κείμενο ASCII απόκριση: κωδικός κατάστασης και φράση Τα μηνύματα πρέπει να είναι σε 7-bit ASCII 53 Σενάριο: Η Alice στέλνει μήνυμα στον Bob 1) H Alice χρησιμοποιεί πράκτορα χρήστη (user agent-ua) για τη σύνθεση του μηνύματος και to (προς) bob@someschool.eduedu 2) Ο πράκτορα χρήστη της Alice στέλνει το μήνυμα στον εξυπηρέτη ταχυδρομείου της, το μήνυμα τοποθετείται στην ουρά μηνυμάτων 3) Η πλευρά του πελάτη του SMTP ανοίγει TCP σύνδεση με τον εξυπηρέτη η ταχυδρομείου του Bob 4) Ο πελάτης SMTP στέλνει το μήνυμα της Alice πάνω από τη σύνδεση TCP 5) Ο εξυπηρέτης ταχυδρομείου του Bob τοποθετεί το μήνυμα στην ταχυδρομική θυρίδα του Bob 6) Ο Bob χρησιμοποιεί το δικό του πράκτορα χρήστη για να το διαβάσει 1 user agent mail server mail server 5 6 user agent 54

28 Παράδειγμα αλληλεπίδρασης ης SMTP S: 220 hamburger.edu C: HELO crepes.fr S: 250 Hello crepes.fr, pleased to meet you C: MAIL FROM: S: 250 Sender ok C: RCPT TO: b S: 250 bob@hamburger.edu... Recipient ok C: DATA S: 354 Enter mail, end with "." on a line by itself C: Do you like ketchup? C: How about pickles? C:. S: 250 Message accepted for delivery C: QUIT S: 221 hamburger.edu closing connection 55 οκιμάστε μόνοι σας την αλληλεπίδραση η του SMTP: telnet servername 25 είτε την απόκριση 220 από το server Εισάγετε τις εντολές HELO, MAIL FROM, RCPT TO, DATA, QUIT Τα παραπάνω επιτρέπουν την αποστολή χωρίς τη χρήση client (αναγνώστη) 56

29 SMTP: τελευταίες ες λέξεις Το SMTP χρησιμοποιεί παραμένουσες συνδέσεις Το SMTP απαιτεί το μήνυμα (επικεφαλίδα & σώμα) να είναι σε 7-bit ASCII Ο εξυπηρέτης SMTP χρησιμοποιεί CRLF.CRLF για να καθορίσει το τέλος του μηνύματος Σύγκριση με το HTTP: HTTP: pull (έλξη) SMTP: push (ώθηση) Και τα δύο έχουν αλληλεπίδραση με εντολές / αποκρίσεις ASCII, κώδικες κατάστασης HTTP: κάθε αντικείμενο ενθυλακωμένο στο δικό του μήνυμα απόκρισης SMTP: πολλαπλά αντικείμενα στέλνονται σε μήνυμα multipart 57 Μορφή του μηνύματος μ ταχυδρομείου SMTP: πρωτόκολλο για την ανταλλαγή μηνυμάτων ταχυδρομείου RFC 822: πρότυπο για τη μορφή του μηνύματος κειμένου: Γραμμές κεφαλίδας, π.χ., To: From: Subject: ιαφορετικό από τις εντολές του SMTP! σώμα Το «μήνυμα», μόνο χαρακτήρες ASCII header body blank line 58

30 Μορφή μηνύματος: μ επεκτάσεις για πολυμέσα MIME: multimedia mail extension, RFC 2045, 2056 πρόσθετες γραμμές στην κεφαλίδα (header) του μηνύματος δηλώνουν τον τύπο MIME του περιεχομένου MIME version method used to encode data multimedia data type, subtype, parameter declaration encoded data From: To: Subject: Picture of yummy crepe. MIME-Version: 1.0 Content-Transfer-Encoding: base64 Content-Type: image/jpeg base64 encoded d data base64 encoded data 59 Πρωτόκολλα προσπέλασης ταχυδρομείου user agent SMTP SMTP access protocol user agent sender s mail server receiver s mail server SMTP: παράδοση/αποθήκευση στον εξυπηρέτη του παραλήπτη Πρωτόκολλο προσπέλασης ταχυδρομείου (mail access protocol): ανάκτηση από τον εξυπηρέτη POP: Post Office Protocol [RFC 1939] εξουσιοδότηση (πράκτορας (agent) <-->εξυπηρέτης (server)) και «κατέβασμα» ( download ) d ) IMAP: Internet Mail Access Protocol [RFC 1730] περισσότερες δυνατότητες (πιο πολύπλοκο) διαχείριση αποθηκευμένων μηνυμάτων στον εξυπηρέτη HTTP: gmail, Hotmail, Yahoo! Mail, κτλ. 60

31 Πρωτόκολλο POP3 S OK POP3 d φάση εξουσιοδότησης (authorization) εντολές πελάτη: user: declare username pass: password Ο εξυπηρέτης απαντά +OK -ERR φάση συναλλαγής, πελάτης: list: δώσε λίστα των αριθμών μηνυμάτων retr: t: ανάκτηση μηνύματος με βάση τον αριθμό dele: διέγραψε quit S: +OK POP3 server ready C: user bob S: +OK C: pass hungry S: +OK user successfully logged on C: list S: S: S:. C: retr 1 S: <message 1 contents> S:. C: dele 1 C: retr 2 S: <message 1 contents> S:. C: dele 2 C: quit S: +OK POP3 server signing off 61 POP3(συνέχεια) και IMAP Περισσότερα για το POP3 Στο προηγούμενο παράδειγμα «φορτώνει και διαγράφει» ( download and delete ) Ο Bob δεν μπορεί να ξαναδιαβάσει το αν αλλάξει πελάτη «Φορτώνει και κρατά» ( Download-and-keep ): αντίγραφα των μηνυμάτων σε διαφορετικούς πελάτες To POP3 δε διατηρεί κατάσταση μεταξύ συνόδων IMAP ιατηρεί όλα τα μηνύματα σε ένα μέρος: τον εξυπηρέτη Επιτρέπει στο χρήστη να οργανώσει αώ τα μηνύματα ηύαα σε φακέλους Το IMAP διατηρεί την κατάσταση του χρήστη μεταξύ συνόδων: ονόματα φακέλων,, και αντιστοιχίες μηνυμάτων με φακέλους 62

32 Κεφάλαιο 2: Επίπεδο πεδο εφαρμογής 2.1 Αρχές δικτυακών εφαρμογών 2.2 Web και HTTP 2.3 FTP 2.4 Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 Εφαρμογές P2P 2.7 Προγραμματισμός socket με TCP 2.8 Προγραμματισμός socket με UDP Κατασκευάζοντας έναν εξυπηρέτη Web 63 DNS: Domain Name System (Σύστημα Ονομασίας Τομέων) ) Άνθρωποι: πολλοί τρόποι αναγνώρισης: αριθμός κοινωνικής ασφάλισης, όνομα, αρ. διαβατηρίου δαβατηρου Υπολογιστές, δρομολογητές ιαδικτύου: διεύθυνση IP (32 bit) χρησιμοποιείται για διευθυνσιοδότηση datagrams «όνομα», μ π.χ., ww.yahoo.com χρησιμοποιείται από τους ανθρώπους Ε: Αντιστοιχία ανάμεσα στη διεύθυνση IP και το όνομα; Σύστημα Ονομασίας Τομέων (Domain Name System): Κατανεμημένη βάση δεδομένων που υλοποιείται με μια ιεραρχία πολλών εξυπερετών ονομάτων οομάτω (name servers) Πρωτόκολλο επιπέδου εφαρμογής για να επικοινωνούν υπολογιστές, δρομολογητές, εξυπηρέτες ονομάτων για μετάφραση ονομάτων (μετάφραση διεύθυνσης/ονόματος) Σημείωση: βασική λειτουργία του ιαδικτύου που υλοποιείται ως πρωτόκολλο επιπέδου εφαρμογής Πολυπλοκότητα στο «άκρο» του δικτύου 64

33 DNS Υπηρεσίες DNS Μετάφραση ονόματος σε διεύθυνση IP Ψευδώνυμα υπολογιστών (host aliasing) Γιατί όχι κεντρικοποιημένο; μοναδικό σημείο αποτυχίας όγκος κίνησης l ) απομακρυσμένη Κανονικοποιημένα ονόματα, κεντρικοποιημένη βάση ψευδώνυμα (Canonical, alias δεδομένων names) Ψεδώνυμα εξυπηρετών ταχυδρομείου (mail server aliasing) Κατανομή φορτίου (load distribution) Ρέπλικες εξυπηρέτες Web: σύνολο διευθύνσεων IP για ένα κανονικοποιημένο όνομα συντήρηση δεν κλιμακώνει!! 65 Κατανεμημένη, Ιεραρχική Βάση εδομένων Root DNS Servers com DNS servers org DNS servers edu DNS servers yahoo.com DNS servers amazon.com DNS servers pbs.org DNS servers poly.edu umass.edu DNS serversdns servers O πελάτης θέλει τη διεύθυνση IP για το 1 η προσέγγιση: Ο πελάτης ρωτά έναν εξυπηρέτη ρίζας (root server) για να βρει τον εξυπηρέτη DNS com (com DNS server) Ο πελάτης ρωτά τον εξυπηρέτη η DNS com για να πάρει τον εξυπηρέτη η DNS amazon.com (amazon.com DNS server) Ο πελάτης ρωτά τον εξυπηρέτη DNS amazon.com (amazon.com DNS server) γα για να πάρει τη διεύθυνση IP του m 66

34 DNS: Εξυπηρέτες ονομάτων ρίζας (Root name servers) έρχεται σε επαφή ο τοπικός εξυπηρέτης ονομάτων που δεν μπορεί να μεταφράσει το όνομα εξυπηρέτης ονομάτων ρίζας: έρχεται σε επαφή με τον αυθεντικό (authoritative) εξυπηρέτη ονομάτων, αν η αντιστοιχία του ονόματος δεν είναι γνωστή παίρνει την αντιστοιχία επιστρέφει την αντιστοιχία στον τοπικό εξυπηρέτη ονομάτων e NASA Mt View, CA f Internet Software C. Palo Alto, CA (and 36 other locations) a Verisign, Dulles, VA c Cogent, Herndon, VA (also LA) d U Maryland College Park, MD g US DoD Vienna, VA h ARL Aberdeen, MD j Verisign, ( 21 locations) k RIPE London (also 16 other locations) i Autonomica, Stockholm (plus 28 other locations) m WIDE Tokyo (also Seoul, Paris, SF) b USC-ISI Marina del Rey, CA l ICANN Los Angeles, CA 13 εξυπηρέτες ονομάτων ρίζας ρζ παγκοσμίως 67 TLD and Αυθεντικοί εξυπηρέτες Εξυπηρέτες τομέων ανώτερου επιπέδου (Top-level domain (TLD) servers): υπεύθυνοι για com, org, net, edu, etc, και όλους τους ανώτερου επιπέδου τομείς χωρών uk, fr, ca, jp. Η Network Solutions διατηρεί εξυπηρέτες για τους com TLD H Educause για τους edu TLD Αυθεντικοί εξυπηρέτες DNS (Authoritative tat DNS servers): Οι εξυπηρέτες DNS του οργανισμού που παρέχουν αυθεντικές (authoritative) αντιστοιχίσεις ονομάτων υπολογιστών σε διευθύνσεις IP για τους εξυπηρέτες του οργανισμού (π.χ., Web, mail). Μπορεί να διατηρείται από οργανισμό ή πάροχο υπηρεσιών 68

35 Τοπικός Εξυπηρέτης Ονομάτων (Local Name Server) εν ανήκει αυστηρά στην ιεραρχία κάθε ISP (περιφερειακός ISP, εταιρία, πανεπιστήμιο) ) έχει έναν καλείται επίσης «προεπιλεγμένος εξυπηρέτης ονομάτων» ( default name server ) Όταν ένας υπολογιστής πραγματοποιεί ένα ερώτημα DNS, το ερώτημα στέλνεται στον τοπικό εξυπηρέτη DNS Λειτουργεί ως proxy, προωθεί το ερώτημα στην ιεραρχία 69 Παράδειγμα μετάφρασης ονόματος DNS Ο υπολογιστής στο cis.poly.edu θέλει τη διεύθυνση IP του gaia.cs.umass.edu.. Επαναληπτικό ερώτημα (iterated query): r r 2 local DNS server dns.poly.edu Ο εξυπηρέτης που 1 ρωτήθηκε απαντά με το όνομα του εξυπηρέτη που πρέπει να ρωτηθεί «εν ξέρω το όνομα αλλά ρώτα αυτόν τον εξυπηρέτη» 8 requesting host cis.poly.edu root DNS server TLD DNS server 6 authoritative DNS server dns.cs.umass.edu gaia.cs.umass.edu 70

36 Παράδειγμα μετάφρασης root DNS server ονόματος DNS Αναδρομικό ερώτημα (recursive query): Εναποθέτει το βάρος της μετάφρασης ονόματος στον εξυπηρέτη που ρωτήθηκε Βαρύ φορτίο? local DNS server dns.poly.edu TLD DNS server requesting host cis.poly.edu authoritative DNS server dns.cs.umass.edu gaia.cs.umass.edu 71 DNS: προσωρινή αποθήκευση (caching) και ενημέρωση εγγραφών Όταν ο (οποιοσδήποτε) εξυπηρέτης ονομάτων μάθει μια αντιστοιχία την αποθηκεύει προσωρινά Τα περιεχόμενα της προσωρινής μνήμης (cache) λήγουν (εξεφανίζονται) μετά από κάποιο χρόνο Οι εξυπηρέτες TLD τυπικά αποθηκεύονται προσωρινά σε τοπικούς εξυπηρέτες ονομάτων Έτσι οι εξυπηρέτες ρίζας δε δέχονται συχνά επισκέψεις Μηχανισμοί ενημέρωσης/ειδοποίησης υπό σχεδίαση από τον IETF RFC

37 Εγγραφές DNS DNS: κατανεμημένη βάση δεδ. που αποθηκεύει εγγραφές πόρων [resource records (RR)] RR format: (name, value, type, ttl) Type=A Type=CNAME name είναι το όνομα του υπολογιστή name είναι ψευδώνυμο (alias name) για κάποιο value είναι η διεύθυνση IP κανονικοποιημένο ( canonical ) (το Type=NS πραγματικό) όνομα name είναι τομέας (domain) (π.χ. foo.com) value είναι το όνομα είναι στην πραγματικότητα servereast.backup2.ibm.com value είναι το κανονικοπ. όνομα υπολογιστή (hostname) του Type=MX αυθεντικού εξυπηρέτη value είναι το όνομα του ονομάτων για αυτόν τον τομέα εξυπηρέτη mail που σχετίζεται με το name 73 Πρωτόκολλο DNS, μηνύματαμ Πρωτόκολλο DNS : μηνύματα ερωτήματος (query) και απόκρισης (reply), py), και τα δύο την ίδια μορφή μηνύματος μ (message format) Κεφαλίδα μηνύματος Ταυτοποίηση (identification): 16 bit # για ερώτημα, η απόκριση στην ερώτηση χρησιμοποιεί το ίδιο # Σημαίες (flags): Ερώτημα ή απόκριση Αναδρομή επιθυμητή Αναδρομή διαθέσιμη Η απόκριση είναι αυθεντικός 74

38 Πρωτόκολλο DNS, μηνύματαμ Πδί Πεδία ονόματος, τύπου για ένα ερώτημα RR για απόκριση στο ερώτημα Εγγραφές για αυθεντικούς εξυπηρέτες Πρόσθετες χρήσιμες πληροφορίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν 75 Εισαγωγή Εσαγωγή εγγραφών στο DNS παράδειγμα: νέα startup εταιρία Network Utopia Εγγράφει το όνομα networkuptopia.com στον DNS registrar (π.χ., Network Solutions) Παρέχει ονόματα, διευθύνσεις IP του αυθεντικού εξυπηρέτη ονομάτων (κύριου ύ και δευτερεύοντα) ) Ο registrar εισάγει δύο RRs στον εξυπηρέτη TLD com: (networkutopia.com, dns1.networkutopia.com, NS) (dns1.networkutopia.com, , A) ημιουργεί εγγραφή αυθυεντικού εξυπηρέτη Type A για το εγγραφή Type MX για το networkutopia.com Πως παίρνουν οι άνθρωποι τη διεύθυνση IP του ιστοχώρου σας?? 76

39 Κεφάλαιο 2: Επίπεδο πεδο εφαρμογής 2.1 Αρχές δικτυακών εφαρμογών Αρχιτεκτονικές εφαρμ. Απαιτήσεις εφαρμ. 2.2 Web και HTTP 2.3 FTP 2.4 Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 Εφαρμογές P2P 2.7 Προγραμματισμός socket με TCP 2.8 Προγραμματισμός socket με UDP 77 Αμιγώς P2P Pαρχιτεκτονική κή εν υπάρχει διαρκώς ενεργός εξυπηρέτης Τυχαία τερματικά συστήματα επικοινωνούν απευθείας Οι ομότιμοι είναι συνδεδεμένοι διακοπτόμενα και αλλάζουν διευθύνσεις IP peer-peer Τρία θέματα: ιανομή αρχείου Αναζήτηση πληροφορίας Μελέτη περίπτωσης: Skype 78

40 ιανομή αρχείου: Server-Client vs P2P Ερώτηση : Πόσος χρόνος απαιτείται για τη διανομή αρχείου από έναν εξυπηρέτη η σε Ν ομότιμους? μ File, size F Server u 1 d 1 u 2 u d2 2 s u s : server upload bandwidth u i : peer i upload bandwidth d i : peer id download d bandwidth d N u N Network (with abundant bandwidth) 79 Χρόνος διανομής αρχείου: εξυπηρέτης- πελάτης (server-client) Ο εξυπηρέτης στέλνει σειριακά N αντίγραφα: F Server u u 2 1 d 1 u s d2 Χρόνος NF/u s Ο πελάτης i χρειάζεται χρόνο F/d i για «κατέβασμα» (download) d N u N Network (with abundant bandwidth) Χρόνος για να διανεμηθεί το F σε N πελάτες χρησιμοποιώντας την προσέγγιση client/server = d cs = max { NF/u s, F/min(d i ) } i Αυξάνει γραμμικά με το N (για μεγάλο N) 80

41 Χρόνος διανομής αρχείου: P2P Ο εξυπηρέτης πρέπει να στείλει ένα αντίγραφο: χρόνος F/u s Ο πελάτης i χρειάζεται χρόνο F/d i για «κατέβασμα» F Server d N u N u u 2 1 d 1 u s Πρέπει να «κατέβουν» NF bits (αθροιστικά) Ταχύτερος δυνατός ρυθμός «ανεβάσματος» (upload rate): u s + u i d2 Network (with abundant bandwidth) d P2P = max { F/u s, F/min(d i ), NF/(u s + u i ) } i 81 Server-client vs. P2P: Παράδειγμα Client upload rate = u, F/u = 1 hour, u s = 10u, d min u s Minimum m Distributi ion Time Ελάχιστ τος χρόνος Διανομής P2P Client-Server N 82

42 ιανομή ανομή αρχείου: BitTorrent P2P διανομή αρχείου tracker: παρακολουθεί τους ομότιμους που μετέχουν στο torrent torrent: ομάδα ομότιμων που ανταλλάσουν τμήματα (chunks) ενός αρχείου obtain list of peers trading chunks peer 83 BitTorrent (1) Το αρχείο διαιρείται σε τμήματα (chunks) των 256KB Ομότιμος που συνδέεται στο torrent: εν έχει chunks, αλλά θα συσσωρεύσει με την πάροδο του χρόνου Εγγράφεται στον tracker για να πάρει τη λίστα των ομότιμων, συνδέεται σε υποσύνολο των ομότιμων («γείτονες»( neighbors )) Ενώ «κατεβάζει», ο ομότιμος ανεβάζει chunks σε άλλους ομότιμους Ομότιμοι ενδέχεται να έρχονται και να φεύγουν Όταν ο ομότιμος έχει ολόκληρο το αρχείο, ενδέχεται (εγωιστικά (selfishly)) να φύγει ή (αλτρουιστικά) να παραμείνει 84

43 BitTorrent (2) Σέλ Στέλνοντας Chunks: tit-for-tat t t «Τραβώντας» Chunks Κάθε χρονική στιγμή, διαφορετικοί ομότιμοι έχουν διαφορετικό υποσύνολο των chunks του αρχείου περιοδικά, ένας ομότιμος (Alice) ρωτά κάθε γείτονα σχετικά με τη λίστα των chunks που έχουν Η Alice στέλνει αίτηση για τα chunks που της λείπουν Πρώτα το σπανιότερο (rarest first) Η Alice στέλνει chunks στους τέσσερις γείτονες που στέλνουν στον υψηλότερο ρυθμό Επαναξιολογεί τους top 4 κάθε 10 secs κάθε 30 secs: διαλέγει τυχαία κάποιον ομότιμο, ξεκινά να στέλνει chunks Ο νέος ομότιμος που επιλέχτηκε ενδέχεται να συμμετάσχει στους top 4 optimistically unchoke 85 BitTorrent: Tit-for-tat tat (1) Alice optimistically unchokes Bob (2) Η Alice γίνεται ένας από τους top-four προμηθευτές του Bob; ο Bob ανταποδίδει (3) Ο Bob γίνεται ένας από τους top-four προμηθευτές της Alice Με υψηλότερο upload rate, μπορεί να βρει καλύτερους εταίρους ανταλλαγής και να πάρει γρηγορότερα το αρχείο 86

44 P2P: αναζητώντας πληροφορία Ευρετήριο (index) σε σύστημα P2P: αντιστοιχίζει πληροφορία σε θέση ομότιμου (θέση = διεύθυνση IP & αριθμός θύρας) Κοινή χρήση αρχείων (File sharing) (πχ e-mule) Το ευρετήριο παρακολουθεί δυναμικά τις θέσεις των αρχείων που μοιράζονται οι ομότιμοι μ Οι ομότιμοι πρέπει να λένε στο ευρετήριο τι έχουν Οι ομότιμοι ψάχνουν στο ευρετήριο για να καθορίσουν που μπορούν να βρεθούν τα αρχεία Στιγμιαία μηνύματα (Instant messaging) Το ευρετήριο αντιστοιχίζει χζ τα ονόματα χρηστών σε θέσεις Όταν ο χρήστης εκκινά την εφαρμογή πρέπει να ενημερώσει το ευρετήριο για τη θέση του Οι ομότιμοι ψάχνουν στο ευρετήριο για να καθορίσουν τη διεύθυνση IP του χρήστη 87 P2P: κεντρικοποιημένο ευρετήριο (centralized index) Αρχική σχεδίαση του Napster 1) Όταν ο ομότιμος συνδέεται πληροφορεί τον κεντρικό εξυπηρέτη: ιεύθυνση IP περιεχόμενο centralized directory server ) Η Alice υποβάλει ερώτημα για το Hey Jude Alice 3) Η Alice ζητά το αρχείο από τον Bob 3 Bob peers 88

45 P2P: προβλήματα με τον κεντρικοποιημένο κατάλογο Μοναδικό σημείο αποτυχίας (single point of failure) Bottleneck της απόδοσης Παραβίαση πνευματικών δικαιωμάτων: δκαωμάτω ο «στόχος» των αγωγών είναι προφανής η μεταφορά του αρχείου είναι αποκεντρωμένη, αλλά ο εντοπισμός του περιεχομένου είναι άκρως κενρικοποιημένος 89 Πλημύρα ερωτημάτων (Query flooding) Πλήρως κατανεμημένο μ Χωρίς κεντρικό εξυπηρέτη Χρησιμοποιείται από το Gnutella Κάθε ομότιμος καταχωρεί σε ευρετήριο τα αρχεία που ο ίδιος διαθέτει για κοινή χρήση (και όχι άλλα αρχεία) ίκτυο επικάλυψης (overlay network): γράφημα Ακμή μεταξύ ομότιμων X και Y αν υπάρχει σύνδεση TCP Όλοι οι ενεργοί ομότιμοι και οι ακμές σχηματίζουν δίκτυο επικάλυψης ακμή: εικονική (όχι φυσική) ) ζεύξη Ένας δεδομένος ομότιμος τυπικά συνδέεται με < 10 γείτονες επικάλυψης 90

46 Πλημύρα ερωτημάτων Το μήνυμα ερωτήματος στέλνεται στις υπάρχουσες συνδέσεις TCP οι ομότιμοι προωθούν το μήνυμα ερωτήματος Η επιτυχία του ερωτήματος (QueryHit) στέλνεται στο αντίστροφο μονοπάτι Query QueryHit File transfer: HTTP Query QueryHit Κλιμάκωση (Scalability): Πλημύρα περιορισμένου εύρους (limited scope flooding) 91 Gnutella: Σύνδεση ομότιμου (Peer joining) i 1. Ο ομότιμος μ Alice που συνδέεται πρέπει να βρει άλλον ομότιμο στο δίκτυο Gnutella: χρήση λίστας υποψήφιων ομότιμων 2. Η Alice επιχειρεί σειριακά συνδέσεις TCP με υποψήφιους ομότιμους έως ότου επιτύχει σύνδεση με τον Bob 3. Πλημύρα (flooding): Η Alice στέλνει μηνύματα Ping στον Bob; ο Bob προωθεί το μήνυμα στους γείτονες επικάλυψης (οι οποίοι το προωθούν στους γείτονές τους.) ) Οι ομότιμοι που λαμβάνουν το μήνυμα Ping απαντούν στην Alice με μήνυμα Pong 4. Η Alice λαμβάνει πολλά μηνύματα Pong, και μπορεί να ξεκινήσει πρόσθετες συνδέσεις TCP 92

47 Ιεραρχική Επικάλυψη (Hierarchical cal Overlay) Ανάμεσα στις προσεγγίσεις κεντρικοποιημένου ευρετηρίου και πλημύρας ερωτημάτων Κάθε ομότιμος είναι είτε ένας super node ή τον έχει επιφορτιστεί ένας super node Σύνδεση TCP ανάμεσα στον ομότιμο και τον super node του Συνδέσεις TCP ανάμεσα σε μερικά ζεύγη super nodes. Ο super node παρακολουθεί το περιεχόμενο των παιδιών του ordinary peer group-leader peer neighoring relationships in overlay network 93 Μελέτη περίπτωσης πτωσης P2P: P Skype εγγενώς P2P: ζεύγη χρηστών επικοινωνούν. Skype clients (SC) Ιδιοταγές πρωτόκολλο επιπέδου εφαρμογής Skype login server Supernode (συνάγεται με reverse engineering) g Ιεραρχική επικάλυψη (overlay) με SNs (SN) Ευρετήριο αντιστοιχεί ονόματα χρηστών σε διευθύνσεις IP; διανέμονται μέσω SNs 94

48 Ομότιμοι ως αναμεταδότες (Peers as relays) Πρόβλημα όταν τόσο η Alice όσο και ο Bob είναι πίσω από NATs. Το NAT εμποδίζει έναν εξωτερικό ομότιμο να εκκινήσει μία κλήση προς έναν εσωτερικό ομότιμο Λύση: Χρησιμοποιώντας τα SNs της Alice και του Bob, επιλέγεται αναμεταδότης (relay) Κάθε peer εκκινά συνεδρία με τον αναμεταδότη Οι ομότιμοι μπορούν τώρα να επικοινωνήσουν μέσα από τα NATs μέσω αναμεταδότη 95 Κεφάλαιο 2: Επίπεδο πεδο εφαρμογής 2.1 Αρχές δικτυακών εφαρμογών Αρχιτεκτονικές εφαρμ. Απαιτήσεις εφαρμ. 2.2 Web και HTTP 2.3 FTP 2.4 Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 Εφαρμογές P2P 2.7 Προγραμματισμός socket με TCP 2.8 Προγραμματισμός socket με UDP 96

49 Προγραμματισμός Socket Σκοπός: εκμάθηση του πως φτιάχνονται εφαρμογές πελάτη /εξυπηρέτη που επικοινωνούν χρησιμοποιώντας sockets Socket API Εισήχθη στο BSD4.1 UNIX, 1981 Αποκλειστικά δημιουργείται και χρησιμοποιείται από εφαρμογές Μοντέλο client/server ύο τύποι υπηρεσιών μεταφοράς μέσω του socket API: Μη αξιόπιστο datagram αξιόπιστο, byte streamoriented socket μία τοπική στον υπολογιστή, δημιουργούμενη από την εφαρμογή, ελεγχόμενη από το λειτουργικό διεπαφή (μια «πόρτα») στην/από την οποία η διεργασία της εφαρμογής μπορεί και να στέλνει και να λαμβάνει μηνύματα σε/από/ μια άλλη διεργασία εφαρμογής 97 Προγραμματισμός μ Socket με χρήση TCP Socket: μια πόρτα μεταξύ της διεργασίας της εφαρμογής και του πρωτοκόλλου μεταφοράς από άκρο σε άκρο (UDP ή TCP) Υπηρεσία TCP: αξιόπιστη μεταφορά bytes από τη μία διεργασία στην άλλη controlled by application developer controlled by operating system process socket TCP with buffers, variables internet process socket TCP with buffers, variables controlled by application developer controlled by operating system host or server host or server 98

50 Προγραμματισμός μ Socket με TCP Ο πελάτης πρέπει να έρθει σε επαφή με τον εξυπηρέτη Η διεργασία εξυπηρέτη πρέπει πρώτα να τρέχει Ο εξυπηρέτης πρέπει να έχει δημιουργήσει socket (πόρτα) ρ που δέχεται την επαφή του πελάτη Ο πελάτης έρχεται σε επαφή με τον εξυπηρέτη: ημιουργώντας τοπική στον πελάτη TCP socket Καθορίζοντας τη διεύθυνση IP, τον αριθμό θύρας της διεργασίας του εξυπηρέτη Όταν ο πελάτης δημιουργεί socket: το TCP του πελάτη αποκαθιστά σύνδεση με το TCP του εξυπηρέτη η Όταν έρθει σε επαφή μαζί του κάποιος πελάτης, το TCP του εξυπηρέτη δημιουργεί νέa socket για να επικοινωνήσει η διεργασία του εξυπηρέτη με τον πελάτη Επιτρέπει στον εξυπηρέτη να μιλά με πολλαπλούς πελάτες Οι αριθμοί θύρας της πηγής χρησιμοποιούνται για να διακρίνονται οι πελάτες (περισσότερα στο Κεφ. 3) Οπτική της εφαρμογής ΤοTCP παρέχει αξιόπιστη σε σειρά μεταφορά bytes («σωλήνας»( pipe )) μεταξύ πελάτη και εξυπηρέτη 99 Αλληλεπίδραση η socket πελάτη/εξυπηρέτη: ηρ η TCP Server (running on hostid) create socket, port=x, for incoming request: welcomesocket = ServerSocket() wait for incoming connection request connectionsocket = welcomesocket.accept() read request from connectionsocket write reply to connectionsocket close connectionsocket TCP connection setup Client create socket, connect to hostid, port=x clientsocket = Socket() send request using clientsocket read reply from clientsocket close clientsocket 100

51 Αργκό ροής (stream) Mia ροή (stream) είναι μια ακολουθία χαρακτήρων που ρέουν προς ή από μια διεργασία Μια ροή εισόδου (input stream) προσαρτάται σε κάποια πηγή εισόδου για τη διεργασία, π.χ., πληκτρολόγιο ή socket Μια ροή εξόδου (output stream) προσαρτάται σε κάποια πηγή εξόδου για τη διεργασία, π.χ., οθόνη ή socket Client Process process input stream output stream keyboard infromuser ou uttoserver monitor inf FromServer client TCP clientsocket socket to network input stream from network TCP socket 101 Προγραμματισμός μ Socket με TCP Παράδειγμα εφαρμογής πελάτη- εξυπηρέτη: 1) Ο πελάτης διαβάζει μια γραμμή από την προκαθορισμένη είσοδο (infromuser stream), στέλνει στον εξυπηρέτη μέσω της socket (outtoserver stream) 2) Ο εξυπηρέτης διαβάζει τη γραμμή από τη socket 3) Ο εξυπηρέτης μετατρέπει τη γραμμή σε κεφαλαία, στέλνει πίσω στον πελάτη 4) Ο πελάτης διαβάζει, εκτυπώνει την τροποποιημένη γραμμή από τη socket (infromserver stream) 102

52 Παράδειγμα: Java client (TCP) Create input stream import java.io.*; import java.net. *; class TCPClient { public static void main(string argv[]) throws Exception { String sentence; String modifiedsentence; BufferedReader infromuser = new BufferedReader(new InputStreamReader(System.in)); Create client socket, Socket clientsocket = new Socket("hostname", 6789); connect to server Create DataOutputStream outtoserver = output stream new DataOutputStream(clientSocket.getOutputStream()); attached to socket 103 Παράδειγμα: Java client (TCP), συν.. input stream attached to socket Create BufferedReader infromserver = new BufferedReader(new InputStreamReader(clientSocket.getInputStream())); Send line to server Read line from server sentence = infromuser.readline(); outtoserver.writebytes(sentence + '\n'); modifiedsentence = infromserver.readline(); System.out.println("FROM y p ( SERVER: " + modifiedsentence); clientsocket.close(); } } 104

53 Παράδειγμα: Java server (TCP) import java.io.*; import java.net.*; class TCPServer { Create welcoming socket at port 6789 Wait, on welcoming socket for contact by client Create input stream, attached to socket public static void main(string argv[]) throws Exception { String clientsentence; String capitalizedsentence; ServerSocket welcomesocket = new ServerSocket(6789); while(true) { Socket connectionsocket = welcomesocket.accept(); BufferedReader infromclient = new BufferedReader(new InputStreamReader(connectionSocket.getInputStream())); eade ect o Soc et ())); 105 Παράδειγμα: Java server (TCP), συν.. Create output stream, attached to socket Read in line from socket DataOutputStream outtoclient = new DataOutputStream(connectionSocket.getOutputStream()); clientsentence = infromclient.readline(); capitalizedsentence = clientsentence.touppercase() + '\n'; Write out line outtoclient.writebytes(capitalizedsentence); to socket } } } End of while loop, loop back and wait for another client connection 106

54 Κεφάλαιο 2: Επίπεδο πεδο εφαρμογής 2.1 Αρχές δικτυακών εφαρμογών Αρχιτεκτονικές εφαρμ. Απαιτήσεις εφαρμ. 2.2 Web και HTTP 2.3 FTP 2.4 Ηλεκτρονικό ταχυδρομείο SMTP, POP3, IMAP 2.5 DNS 2.6 Εφαρμογές P2P 2.7 Προγραμματισμός socket με TCP 2.8 Προγραμματισμός socket με UDP 107 Προγραμματισμός μ Socket με UDP UDP: χωρίς «σύνδεση» ( connection ) μεταξύ πελάτη και εξυπηρέτη Χωρίς χειραψία (no handshaking) Ο αποστολέας προσαρτά τη διεύθυνση IP και τη θύρα του προορισμού ρ σε κάθε πακέτο Ο εξυπηρέτης πρέπει να εξάγει τη διεύθυνση IP, θύρα του αποστολέα από το πακέτο που έλαβε UDP: τα μεταδιδόμενα δεδομένα εδεχομένως ληφθούν εκτός σειράς, ή χαθούν οπτική της εφαρμογής Το UDP παρέχει αναξιόπιστη (unreliable) μεταφορά ομάδων bytes ( datagrams ) μεταξύ πελάτη και εξυπηρέτη 108

55 t t Αλληλεπίδραση η socket πελάτη/εξυπηρέτη: ηρ η UDP Server (running on hostid) Client create socket, port= x. serversocket = DatagramSocket() read datagram from serversocket create socket, clientsocket = DatagramSocket() Create datagram with server IP and port=x; send datagram via clientsocket write reply to serversocket specifying client address, port number read datagram from clientsocket close clientsocket 109 Παράδειγμα: Java client (UDP) keyboard monitor Output: sends packet (recall that TCP sent byte stream ) Client Process process input stream UDP packet infromuser sendpacket receivepacket client UDP clientsocket socket UDP packet UDP socket Input: receives packet (recall thattcp received byte stream ) to network from network 110