Rechnernetze und -Organisation Michael Hutter Karl C. Posch.

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1 und -Organisation 2010 Michael Hutter Karl C. Posch 1 Overview - Motivation - Peer-to-Peer Networks - Structured vs. Unstructured P2P Networks - Centralized vs. Decentralized Networks - Personal Area Networks - Infrared - Bluetooth - Radio Frequency Networks - NFC - RFID - The Internet of Things 2 1

2 - How big is the Internet? Motivation - Google finds only a fraction of Internet resources (~0.004 %) - About 300 million queries per day, > 1 trillion unique URLs - Need of increased storage capacity of resources 3 - How big is the Internet? Motivation - Google finds only a fraction of Internet resources (~0.004 %) - About 300 million queries per day, > 1 trillion unique URLs - Need of increased storage capacity of resources 4 2

3 - How big is the Internet? Motivation - Google finds only a fraction of Internet resources (~0.004 %) - About 300 million queries per day, > 1 trillion unique URLs - Need of increased storage capacity of resources - Moore s law - Number of transistors in ICs doubles every 2 years - Personal computers become more powerful intelligent - Internet of Things - From the Internet of computers to the Internet of things - Peer-to-peer networks instead of client-server model networks 5 Peer-to-Peer Networks - Peer-to-peer (P2P) networks - Resources and control are decentralized - High availability, many nodes large resources - Point-to-point connection between nodes - Better bandwidth utilization, low network failures - Self-organizing (dynamic) network organization - Flexible and scalable architecture (ad-hoc addition of nodes) - Load balancing (randomized object locations) - Overlay networks - Supports search functionalities over the Internet - Application-layer routing - Classification - Unstructured overlays - Centralized network coordination, e.g. Napster - Decentralized network coordination, e.g. Gnutella - Structured overlays (use of distributed hash tables) 6 3

4 Centralized P2P Network - Napster Index server peers 1. File request 2. List of peers peers peer 5. Update index 3. Download request 4. File 7 Decentralized P2P Network Gnutella (1) - No centralized server needed - Nodes can arrange themselves into the network - At least one node has to be known to join the network - A node learns about other nodes - Resource querying 1) A node sends a QUERY message to its neighbor nodes 2) Neighbors answer with a QUERY RESPONSE if they are in possession of the resource (IP + port address of resource) 3) If not, the neighbor sends the query to all known nodes (flooding) 4) Node can then download the resource (using GET/PUT messages) 8 4

5 Decentralized P2P Network Gnutella (2) - Nodes maintain a list of recent queries - Increases the performance - Needed to deliver QUERY RESPONSES back to the sender - Rather inefficient protocol - 70 % of traffic is due to querying - Rare resources might be never found - Gnutella is no software but rather a protocol 9 Structured P2P Networks - Use of distributed hash tables - Each node and object is hashed (e.g. SHA-1) to nodeid and objid - The hashes are distributed over a ring (mod 2 n ) - One node is responsible for only a subset (log n) of total objects - Allows a structured search of resources - Improvement of efficiency (binary search) - Only O(log(n)) hops are necessary (logarithmic) - Instead of flooding routing of messages along the ring - Good scalability - Fault tolerant nodeid 2 n -1 objid

6 Infrared Networks (1) - Infrared Data Association = IrDA - Formed in 1993 by ~50 companies (HP, IBM, Microsoft, ) to define a common standard for Infrared networks - Allows point-to-point/multipoint connections - Need of line of sight (security?), up to 1 meter range - Infrared signals electromagnetic waves (1 to 450 THz) kbit/s up to 1 Gbit/s - Specifications - IrDA 1.0 (serial infrared (SIR): kbit/s) - IrDA 1.1 (up to 16 Mbit/s) - Mid Infrared (MIR): up to Mbit/s - Fast Infrared (FIR): up to 4 Mbit/s - Very fast Infrared (VFIR): up to 16 Mbit/s - Ultra fast Infrared (UFIR): up to 96 MBit/s - Giga-Infrared (GigaIR): up to 1 GBit/s 11 - IrDA Protocol Stack Infrared Networks (2) IrOBEX (Infrared Object Exchange Protocol), IrCOMM, IrUSB, IrSimple, IrWW, IrFM, Application Layer IrTP (Infrared Transport Protocol) IrLMP (Infrared Link Management Protocol) IrLAP (Infrared Link Access Protocol) SIR MIR FIR VFIR UFIR GigaIR Transport Layer Logical Link Control Media Access Control IrPHY Layer 12 6

7 Bluetooth (1) - King Harald Blåtand ( ) - Blauzahn - Industry standard since 1990 ( ) - Bluetooth Special Interest Group (SIG) - Sending of data in a license-free frequency band - ISM.. Industrial, Scientific, and Medical), i.e GHz - Different power levels: 1mW (<10m), 2.5mW (<50m), 10mW (<100m) - Allows the connection of up to 255 devices (piconet) - 1 device is master, up to 7 slaves can be active - Encryption of data is possible (AES-128 in v4.0) - Up to 2,1 Mbit/s data rate - Scatternet - Up to 10 piconets form a scatternet 13 - Bluetooth Connection Bluetooth (2) - Established in about 2 seconds (5 ms in version 4.0) using a 48-bit MAC address 1) Scan mode - Devices listen to the interface every 2.56 seconds (32 frequency hops) 2) Master sends an inquery message and a page message afterwards 3) Master sends 16 identical page telegrams to the slave (on 16 different hopping frequencies) 4) The devices are then in connected state - Since 2005: NFC can be used to establish connection 14 7

8 NFC - Near Field Communication - Wireless technology by NXP and Sony - Operates at MHz frequency kbit/s data rates - Communication is enabled by bringing two NFCenabled devices together - Peer-to-peer (active-active), phone-to-tag (active-passive) - Simply touching devices for interaction - E.g. Smart posters, electronic wallets, 15 RFID - Radio Frequency Identification - Wireless technology - Low frequency: khz - High frequency: 3-30 MHz - Ultra high frequency: MHz - Tags communicate with a reader - No need of line of sight - RFID tags - Tiny chips that are attached to an antenna PC Backend Reader - Can be powered passively (by the reader), actively (own battery), or semipassively (chip is battery powered, greater distances possible) - Unique identifier (32-bit, 56-bit, or 80-bit) - Typically used for supply chain management, inventory control, or access control Tag 16 8

9 Internet of Things 17 Reader 30 items of lingerie Internet of Things Replacement hip medical part # Euros in wallet Serial numbers: , RSA Laboratories (Ari Juels) Wig model #4456 (cheap polyester) Das Kapital and Communistparty handbook 18 9

10 Outlook: A Network of RFID-Enabled Devices - RFID Extended Internet - Readers as gateways to the Internet? - Support of IP on RFID tags? - Tags at home can be read out by mobile phones or inform user about the status of home appliances (there is no more milk in the fridge, ) - Local Networks over RF Internet - What if tags can communicate with each other over the reader? - Reader as a wireless hub or switch - E.g. UIDs for local RF network addressing - Tags can inform other tags in the field, etc Reader 19 What should you know by now? Understand the terms; understand the connections between them; be able to operate with them: P2P Networks Overlay Networks Structured vs. Unstructured Overlays Centralized vs. Decentralized Overlays Adhoc Networks Infrared Networks IrDA Protocol Stack Bluetooth Bluetooth Connection Piconets Scatternets NFC RFID RFID Tags The Internet of Things 20 10

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