När stora nätverk ska konstrueras är det inte längre möjligt att ha direkt koppling mellan alla noder. Istället används switchade nätverk. I datornät är paketswitchade nätverk det vanligaste tillvägagångssättet. Ett paketswitchat nätverk består av ett antal noder med en eller flera förbindelser, se figur 14. De noder som har fler än en förbindelse kan vidare- befordra, eller switcha, paket från en anslutning till en annan. Dessa noder kallas således för switchar. Med hjälp av switchar kan paket skickas via en eller flera noder.
Switchar kan ha en mängd olika funktioner. De kan dessutom arbeta på olika nivåer i OSI-modellen. De enklaste switcharna jobbar i de två lägsta lagren i modellen. De något mer avancerade switcharna jobbar i network layer. Det är inte självklart hur switcharna vet vilken mottagare som finns på vilken anslutning och det finns olika sätt att ta reda på detta [2].
Fördelen med switchade nätverk är att alla noder kan sända utan att skapa en för- bindelse. Detta leder till ökad effektivitet. De gör också nätverken lätta att bygga ut. En nackdel med switchade nätverk är att kapaciteten hos switcharna är av stor vikt. Ju fler noder som är anslutna till en switch desto större kapacitet måste den ha för att kunna lagra alla inkommande paket och sedan vidarebefordra dessa. Om denna buffert tar slut är switchen tvungen att slänga inkommande paket. Detta problem kallas ofta för conges-
tion. Ett annat problem som kan uppstå är när så många paket ska skickas på samma
anslutning att bandbredden inte räcker till. Detta problem, som kallas för contention, innebär att paketen måste läggas i en kö och i värsta fall leder detta till congestion.
4.3.1 Multicast
I de flesta fall vill en nod kommunicera med en mottagare, men det finns fall då en nod vill kunna nå alla andra noder i nätverket. Detta kallas för broadcast. Ett alternativ är att en nod vill kommunicera med en delmängd av de andra noderna. Detta kallas för multi-
cast. För att multicast skall fungera krävs att switcharna stöder detta. Broadcast är rela-
tivt enkelt och innebär att switchen vidarebefordrar paketet till alla andra anslutningar. Multicast är däremot komplicerat och många gånger implementeras det som broadcast.
4.3.2 Sammankopplade nätverk
Ibland kan det vara önskvärt att kunna koppla samman två nätverk av olika typ. Detta görs genom att en router införs mellan de två nätverken, se figur 17.
Figur 17: Två sammankopplade nätverk.
En router är en switch som kan vidarebefordra paket mellan olika typer av nätverk. För att ett sammankopplat nätverk skall fungera behöver alla noder använda samma sorts protokoll i network layer, som är den nivå paketen routas på. Det vanligaste protokollet i network layer är Internet protocol, IP. IP behandlas utförligare i avsnitt 4.4.
4.4 IP-nät
Internet protocol är en av grundstenarna i dagens sammankopplade nätverk. IP, som är ett protokoll i network layer, skapar ett logiskt homogent nätverk av flera olika fysiska nät- verk. Detta uppnås genom att alla noder i ett nätverk hanterar IP. På detta sätt abstraheras underliggande strukturer bort och nätverket kan ses som ett stort IP-nät, se figur 18.
Figur 18: Ett IP-nät skapat av olika fysiska nät.
Ethernet FDDI Router Host Host Router Router IP IP IP IP
Ethernet ATM ATM High-
level
Ethernet FDDI FDDI
High- level
Datornät
MPEG-4-kompatibel settop-box för IP-nät baserad på öppna standarder 33 När IP införs så brukar en enklare modell än OSI-modellen användas eftersom IP abstraherar bort utseendet på lägre nivå. Denna modell som är uppdelad i fyra lager ges i figur 19.
Figur 19: Den förenklade IP-stacken [2].
Internet protocol är nära förknippat med Transmission control protocol, TCP. TCP är ett protokoll på nivån ovanför IP, transport layer. IP och TCP är grunden för det vi idag kallar för Internet. Många gånger särskiljs inte IP-nät och Internet men det är viktigt att komma ihåg att det går utmärkt att skapa ett IP-nät utan att ansluta detta till Internet. Nära besläktat med TCP är User datagram protocol, UDP. TCP och UDP beskrivs utförligare i avsnitt 4.5, och vad som är speciellt med Internet tas upp i avsnitt 4.4.5.
I figuren ses också att modellen inte är strikt uppdelad i lager. Applikationslagret får hoppa över ett eller två lager och använda IP eller det underliggande nätverket direkt.
Det IP erbjuder är en unik adress, se avsnitt 4.4.1, för noderna i det logiska nätverket och möjlighet att leverera paket inom detsamma. Detta brukar kallas för best-effort efter- som IP gör allt det kan för att leverera paketen men det ger inga garantier. Om paketet tappas, förstörs eller levereras fel görs ingenting för att åtgärda detta.
Ett IP-paket består av en header och data. IP-headern är normalt 20 byte stor och inne- håller bland annat information om vilken version av IP som används, hur lång datadelen är, id-nummer, hur många “hopp” paketet tillåts göra i nätverket, vilket ovanliggande protokoll som data skall skickas vidare till, en kontrollsumma, mottagaradress och avsändaradress. Ett IP-paket får maximalt vara 65535 byte stort, inklusive header. Om de data som ska skickas är större än så delas de upp på flera paket. Om det underliggande nätverket kräver ännu mindre paketstorlek delas IP-paketet upp i mindre delar innan det skickas. På mottagarsidan sätts sedan paketet ihop igen.
4.4.1 IP-adresser
En IP-adress är en globalt unik adress som har en hierarkisk struktur. Anledningen till den hierarkiska strukturen är att det ska vara möjligt att routa paketet med hjälp av adresserna, se avsnitt 4.4.2. En IP-adress består av två delar; en nätverksdel och en klientdel. Nätverksdelen identifierar vilket nätverk klienten är ansluten till och klient- delen identifierar klienten i just det nätverket. Varje adress är 32 bitar stor och anges ofta med en 4-tupel av tal mellan 0 och 255, till exempel 62.119.28.104. Några av dessa är reserverade för multicast och 255.255.255.255 är reserverad för broadcast, se avsnitt 4.4.4.
Network IP
TCP UDP
Eftersom IP-adresser i någon mån reflekterar strukturen i ett nätverk kan dessa inte programmeras in i en dator vid tillverkningen utan måste anges då datorn kopplas in i ett visst nätverk. Ett alternativ är att konfigurera datorn manuellt då den kopplas in. Nack- delen med detta är givetvis att detta måste göras för alla datorer som kopplas in och det måste dessutom göras om då datorn flyttas till ett annat nätverk. Ett annat alternativ är att använda Dynamic host configuration protocol, DHCP [10]. Som namnet antyder används protokollet för automatiskt konfigurering av IP-adresser. Det kan även användas för att ställa in en rad andra nätverksspecifika parametrar. För att använda DHCP i ett nätverk måste en DHCP-server kopplas in och konfigureras. När en ny dator kopplas in använder den sig av den hårdvaruspecifika adressen för broadcast för att fråga DHCP-servern vil- ken IP-adress den ska använda. Så fort servern svarat är datorn redo att användas i nät- verket.
4.4.2 Routing
När en nod i ett nätverk vill skicka ett paket till en mottagare finns två möjliga fall; mot- tagaren finns antingen i samma fysiska nätverk eller i ett annat. Om mottagaren finns i samma fysiska nätverk kan sändaren skicka paketet direkt till mottagaren. Det kan göras på olika sätt men ofta sker det genom att sändaren tar reda på mottagarens hårdvaru-
adress, eller MAC-adress. Denna adress används sedan för att nå mottagaren, se avsnitt
4.4.3.
Om mottagaren däremot finns i ett annat fysiskt nät kan sändaren inte nå mottagaren direkt utan måste skicka paketet via en router. När en router får ett paket avgör den först om mottagaren finns i något av de fysiska nät routern är ansluten till. Gör den det skickas paketet till det fysiska nätet. Gör den inte det vidarebefordrar den paketet till en annan router som i sin tur upprepar samma förfarande. För att veta vilken router den ska vidare- befordra paketet till använder den en routingtabell. Routingtabellen anger vilken router som skall användas för vissa adresser. Sist i tabellen finns även en router som skall användas för adresser som inte är kända. Routingtabellen byggs normalt upp dynamiskt med hjälp av olika routingalgoritmer, en procedur som ofta är komplicerad [2].
4.4.3 Address resolution protocol
För att två noder i samma fysiska nätverk ska kunna kommunicera krävs det mer kun- skap än IP-adressen. Anledningen till detta är att det fysiska lagret inte har kunskap om IP-adresser, det har bara kunskap om hårdvaruadresser, eller MAC-adresser. Därför måste en nod översätta IP-adressen till en MAC-adress för att skicka ett paket. Det görs med hjälp av Address resolution protocol, ARP.
När en nod vill skicka ett paket till en annan nod i samma nätverk kontrollerar den först om den har mottagarens MAC-adress i sin ARP-tabell. Har den det används den adressen för att skicka paketet. Har den inte adressen skickar den ett broadcast med en förfrågan om vem som har en viss IP-adress. Den nod som har den aktuella IP-adressen svarar med sin MAC-adress. För att inte ARP-tabellen ska innehålla gammal information uppdateras den regelbundet med hjälp av förfrågningar. Detta görs ofta var 15:e minut.
Datornät
MPEG-4-kompatibel settop-box för IP-nät baserad på öppna standarder 35
4.4.4 IP-multicast
IP-multicast bygger på så kallade multicast groups. Varje multicast group får en viss adress ur en adressrymd reserverad för multicast. Denna adressrymd består av adresser mellan 224.0.0.0 och 239.255.255.255, men vissa är reserverade för särskilda ändamål. Användaren kan gå med i en multicast group och blir på så sätt en av mottagarna. Ett sär- skilt protokoll som heter Internet group management protocol, IGMP, har utvecklats för grupphanteringen. IGMP används för kommunikationen mellan användaren och den lokala routern angående medlemskap i olika grupper.
Multicast på IP-nivå kan implementeras i nätverk som stödjer multicast hårdvaru- mässigt, se avsnitt 4.3.1. Huruvida äkta multicast uppnås eller ej beror således på om närmsta router hanterar multicast eller ej.
4.4.5 Internet
Internet är ett globalt nätverk baserat på IP-protokollet. Internet startade som ett forskningsprojekt vid namn Arpanet och var från början inte baserat på IP. I samband med att Arpanet utvecklades behövdes ett nytt protokoll för sammankopplade nätverk och utvecklingen av IP och TCP startades.
Idag har en relativt stor del av jordens befolkning möjlighet att koppla upp sig mot Internet. Uppkoppling kan ske på ett antal sätt men vanligt är att det sker via telefon- linjen. Telefonlinjerna ger en begränsad bandbredd och det börjar därför bli vanligare med olika typer av permanenta uppkopplingar. Dessa kan ge en bandbredd på allt från några tiotal kbps ända upp till ett tiotal Mbps.
Ett antal organ arbetar med att standardisera Internet och dess innehåll. En av de största aktörerna är Internet Engineering Task Force, IETF. Genom att följa de standarder som utvecklats förenklas möjligheten att kommunicera.
Eftersom Internet är en stor samling av olika sorters nätverk är det svårt att ha kontroll över trafiken. Detta leder till att hastigheter och paketförluster kan variera kraftigt. Detta kan kallas för ett okontrollerat nät. Med hjälp av brandväggar och väl fungerande routrar går det dock att få god kontroll över ett lokalt nät som i sin tur kan kopplas till Internet.