Datanett og Internett

Hva er Internett?

To komplementære måter å tenke på det samme nettverket.

Internett er noe de fleste bruker i hundrevis av minutter hver dag, men svært få kan gi en presis definisjon av. Det finnes to måter å svare på spørsmålet "hva er Internett?" — og begge er like gyldige. Den første er mutterne-og-boltene-beskrivelsen: hva består det fysisk av? Den andre er tjenestebeskrivelsen: hva tilbyr det til applikasjoner som bruker det?

Mutterne-og-boltene-beskrivelsen

Internett er et nettverk av milliarder av endesystemer (også kalt hosts) koblet sammen via kommunikasjonslinker og pakkesvitsjer. Endesystemene er alt fra laptoper og smarttelefoner til servere, IoT-sensorer og smarte kjøleskap. Linkene — fiber, kobberkabel, radio — binder dem sammen, og pakkesvitsjene (primært rutere og linklagssvitsjer) videresender data mellom dem.

Når et endesystem skal sende data, deles dataene opp i pakker — små biter med en header foran som forteller nettverket hvor de skal. Hver pakke reiser uavhengig gjennom nettverket, hopper fra svitsj til svitsj, og settes sammen igjen hos mottakeren. Endesystemene er koblet til Internett gjennom ISP-er (Internet Service Providers), som igjen er koblet sammen i et hierarki. Hele systemet drives av protokoller — regler for hvordan enheter kommuniserer — der TCP og IP er de to viktigste.

Tjenestebeskrivelsen

Fra et applikasjonsperspektiv er Internett en infrastruktur som tilbyr tjenester til distribuerte applikasjoner. E-post, web, videostrømming, nettspill, sosiale medier — alle kjører oppå Internett. Applikasjonene kjører på endesystemene, ikke inne i nettverket, og de kommuniserer med hverandre ved å bruke et socket-grensesnitt. Socketen er "døren" mellom applikasjonen og transportlaget — den lar applikasjonen be om at data skal leveres til en annen maskin, uten å måtte vite noe om rutere og linker underveis.

Nettverkets ytterkant

Endesystemer, aksessnett og fysiske medier — der du og applikasjonene bor.

Nettverkets ytterkant er der selve handlingen skjer. Det er her laptopen din kjører en nettleser, smarttelefonen strømmer video, og en server svarer på HTTP-forespørsler. Alle disse er endesystemer — de sitter i kanten av nettet og gjør det nyttige arbeidet. Rutere og svitsjer inne i nettverket gjør ingen ting applikasjonen bryr seg om; de bare videresender pakker.

Aksessnett — den siste milen

Aksessnettet er linken mellom endesystemet ditt og den første ruteren (edge router) i nettet. Det er ofte den trangeste og dyreste delen av hele forbindelsen, og det finnes en håndfull teknologier som brukes:

Fysiske medier

Uansett teknologi må bits til syvende og sist reise over et fysisk medium. Vi skiller mellom guidede medier (signalet følger en fysisk leder) og ikke-guidede medier (signalet sprer seg fritt):

Nettverkets kjerne

Pakkesvitsjing vs. linjesvitsjing — to fundamentalt forskjellige måter å dele et nettverk.

Kjernen av Internett er et mesh av rutere koblet sammen med høyhastighets fiberlinker. Ingen endesystemer bor her — bare svitsjer som videresender pakker. Men hvordan de videresender, følger ett av to prinsipper som er verdt å forstå grundig, fordi de definerer alt som skjer oppover.

Pakkesvitsjing (packet switching)

Internett bruker pakkesvitsjing. Data deles opp i pakker som sendes uavhengig gjennom nettverket. Hver ruter som mottar en pakke, lagrer den helt (store), sjekker destinasjonen, og sender den videre til neste ruter (forward). Dette kalles store-and-forward: hele pakken må være mottatt før den kan sendes videre.

Linjesvitsjing (circuit switching)

Det tradisjonelle telefonnettet bruker linjesvitsjing. Før samtalen starter, settes det opp en dedikert forbindelse (krets) hele veien fra sender til mottaker. Ressursene (båndbredde, tidsluke, frekvensbånd) reserveres og er garantert tilgjengelige under hele samtalen — men de er også blokkerte for alle andre, selv om du er stille.

Ressursene i en krets kan deles opp på to måter:

Hvorfor vant pakkesvitsjing?

Svaret er statistisk multipleksing. Brukere er sjelden aktive hele tiden — du veksler mellom å lese en side, klikke en link, vente. Med pakkesvitsjing deles nettverkets kapasitet dynamisk: når du er stille bruker andre kapasiteten. Med linjesvitsjing ville den reserverte kapasiteten ligge ubrukt. Resultatet er at pakkesvitsjing kan betjene langt flere brukere enn linjesvitsjing for samme mengde nettverksressurser.

Nettverk av nettverk

Internett er ikke ett enkelt nett, men et nettverk av nettverk. Millioner av aksess-ISP-er (Telenor, Telia, din lokale fiberleverandør) kobler endesystemer til. Disse aksess-ISP-ene er igjen koblet til regionale ISP-er, som kobler seg opp til et lite antall Tier 1-ISP-er (f.eks. Lumen, NTT, Telia Carrier) som har global rekkevidde. I tillegg finnes IXP-er (Internet Exchange Points) der ISP-er møtes og utveksler trafikk direkte, og store innholdsleverandører som Google og Netflix bygger sine egne private nettverk for å nå brukerne raskere.

Forsinkelse, tap og gjennomstrømning

De fire komponentene som til sammen utgjør forsinkelsen — og hvorfor pakker noen ganger forsvinner.

Når en pakke reiser fra A til B, bruker den tid. Denne forsinkelsen er ikke én ting — den er summen av fire forskjellige komponenter, hver med sin egen årsak og oppførsel. Å forstå disse fire er nøkkelen til å forstå hvorfor nettverket noen ganger føles tregt.

De fire forsinkelseskomponentene

Total nodeforsinkelse for én ruter blir altså:

d_nodal = d_proc + d_queue + d_trans + d_prop

Interaktiv kalkulator

Køforsinkelse og trafikk-intensitet

Køforsinkelsen er den mest interessante av de fire, fordi den er den eneste som eksploderer under belastning. Vi måler belastningen med trafikk-intensiteten:

Trafikk-intensitet = (L × a) / R

Der a er gjennomsnittlig antall pakker som ankommer per sekund. Når trafikk-intensiteten nærmer seg 1, vokser køforsinkelsen mot uendelig. Over 1 vokser køen raskere enn den tømmes — pakker droppes fordi bufferet er fullt. Dette er pakketap.

Ende-til-ende-forsinkelse

Over en hel rute med N linker (og N−1 rutere) summeres forsinkelsene. Hvis alle linker er like:

d_end-to-end = N × (d_proc + d_queue + d_trans + d_prop)

Gjennomstrømning (throughput)

Gjennomstrømning er den effektive raten data leveres fra sender til mottaker, målt i bits per sekund. For en rute med flere linker er gjennomstrømningen begrenset av den trangeste linken — flaskehalsen (bottleneck link). Hvis du har en 1 Gbps-fiber hjemme men serveren sender over en 10 Mbps-link, er gjennomstrømningen din 10 Mbps.

I praksis er flaskehalsen oftest i aksessnettet (siste mil) eller på selve serveren, ikke i nettverkskjernen der linkene er enormt raske.

Måle forsinkelse i praksis: traceroute og ping

Hvordan vet du egentlig hva forsinkelsen er på en gitt rute? To klassiske verktøy lar deg finne ut av det:

Protokoll-lag og tjenestemodeller

Hvorfor all nettverkskommunikasjon er organisert i en stabel av lag — og hva hvert lag gjør.

Et datanett er enormt komplekst: det må håndtere alt fra elektromagnetiske signaler i en kabel til videostrømming i en nettleser. For å temme denne kompleksiteten deler vi funksjonaliteten i lag, der hvert lag tilbyr en tjeneste til laget over, og bruker tjenestene til laget under. Det er som et postsystem der du aldri snakker med sjåføren — du legger brevet i postkassen, og hvert mellomledd tar seg av sin del.

Internettets fem lag

OSI-modellen — syv lag

Den alternative OSI-referansemodellen (Open Systems Interconnection) har syv lag i stedet for fem. De to ekstra lagene — presentasjonslaget og sesjonslaget — ligger mellom applikasjons- og transportlaget. I Internett er disse funksjonene (datakompresjon, kryptering, sesjonsadministrasjon) overlatt til applikasjonen selv, og lagene eksisterer ikke som separate enheter. OSI er viktig som historisk referanse og i akademisk sammenheng, men i praksis er det femlagsmodellen som beskriver det virkelige Internett.

Enkapsulering — lag pakker inn i lag

Den mest elegante konsekvensen av lagdelingen er enkapsulering. Når applikasjonen sender en melding, pakker transportlaget den inn i et segment ved å legge til sin egen header. Nettverkslaget pakker segmentet inn i et datagram med IP-header. Lenkelaget pakker datagrammet inn i en ramme med sin header (og trailer). Hvert lag ser bare sin egen header — det som er inni er "bare data" fra lagets perspektiv.

Nettverk under angrep

Internett ble ikke designet med sikkerhet i tankene — og angriperne har utnyttet det fra starten.

De tidlige designerne av Internett tenkte på robusthet og åpenhet, ikke sikkerhet. Resultatet er at angrepsflatene er mange og alvorlige. Her er de viktigste kategoriene du bør kjenne til allerede nå — vi går dypere i kapittel 8.

Malware

Ondsinnet programvare som infiserer endesystemer. Virus sprer seg ved å legge seg inn i filer brukeren aktivt åpner. Ormer sprer seg selv uten brukerinteraksjon — de utnytter sårbarheter i nettverkstjenester og kan infisere tusenvis av maskiner på minutter. Når en maskin er infisert, kan den bli en del av et botnett — et nettverk av kompromitterte maskiner som fjernkontrolleres.

Tjenestenektangrep (DoS / DDoS)

Målet er å gjøre en tjeneste utilgjengelig for legitime brukere. I et DoS-angrep oversvømmer angriperen målet med trafikk, slik at serveren eller nettverket er for opptatt til å betjene ekte forespørsler. I et DDoS-angrep (Distributed DoS) kommer trafikken fra tusenvis av maskiner i et botnett — mye vanskeligere å stoppe fordi angrepstrafikken ser ut som vanlig trafikk fra mange ulike kilder.

Pakkesniffing

En passiv mottaker som lytter på trafikk som går forbi — spesielt farlig på delte medier som WiFi. En sniffer kan fange opp passord, e-poster og alt annet som sendes ukryptert. Løsningen er kryptering (TLS/HTTPS), men mange protokoller sender fortsatt data i klartekst.

IP-spoofing

Angriperen lager pakker med en falsk avsender-IP-adresse. Mottakeren tror pakken kom fra noen andre. Dette brukes i refleksjonsangrep (DDoS), phishing, og for å omgå tilgangskontroller som er basert på IP-adresser.

Internettets historie

Fra ARPANET med fire noder til et nettverk med milliarder av enheter — på femti år.

Historien om Internett er historien om en idé som viste seg å være uovervinnelig: at man kunne bygge et pålitelig kommunikasjonssystem ut av upålitelige deler, ved å dele informasjonen i pakker og la dem finne sin egen vei. Idéen vokste fra militærforskning til verdens mest gjennomgripende infrastruktur.

1960-tallet: pakkesvitsjingens fødsel

Tre forskningsgrupper — MIT/DARPA i USA, NPL i England, og RAND i USA — kom uavhengig fram til idéen om pakkesvitsjing. I 1969 ble ARPANET satt i drift med fire noder (UCLA, SRI, UCSB, Utah). Det var verdens første pakkesvitsjede nettverk, og det fungerte.

1970-tallet: flere nett, behov for inter-netting

Det dukket opp flere pakkesvitsjede nettverk: ALOHAnet (Hawaii, trådløst), Telenet (kommersielt), Cyclades (Frankrike). Problemet var at de ikke kunne snakke med hverandre. Vinton Cerf og Bob Kahn designet TCP/IP for å koble ulike nettverk sammen — inter-networking — og publiserte arkitekturen i 1974.

1980-tallet: TCP/IP og DNS

1. januar 1983 — "flag day" — byttet ARPANET offisielt til TCP/IP. DNS ble innført for å oversette navn til IP-adresser. Universitetsnettverkene (NSFNET) vokste eksplosivt, og e-post ble den første "killer app".

1990-tallet: World Wide Web og kommersialisering

Tim Berners-Lee ved CERN oppfant World Wide Web i 1989–91: HTTP, HTML, og den første nettleseren. Mosaic-nettleseren (1993) og Netscape (1994) brakte webben til massene. NSFNET ble dekommisjonert i 1995, og Internett ble fullstendig kommersialisert. Dot-com-boomen brakte enorme investeringer i nettverksinfrastruktur.

2000-tallet og fremover

Bredbånd erstattet oppringt tilkobling. WiFi og smarttelefoner gjorde Internett mobilt. Sosiale medier, skybaserte tjenester, strømmetjenester og IoT eksploderte. I dag er over 5 milliarder mennesker koblet til Internett, og mengden trafikk dobles omtrent hvert tredje år. De underliggende protokollene — TCP, IP, DNS, HTTP — er bemerkelsesverdig uforandret fra da de ble designet.