Linkkikerros: Ethernet ja WLAN

Transkriptio

1 Linkkikerros: Ethernet ja WLAN Matti Siekkinen T Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2012

2 Viime luennolla Verkkokerros on Internetissä käytännössä IP Tällä hetkellä versio 4, versio 6 tulossa IP toteuttaa epäluotettavan ja tilattoman pakettien välityspalvelun Ylemmät protokollat hoitaa tarvittaessa luotettavuuden ym. IP-osoitteet hallinnoitu luonnonvara Voidaan jakaa aliverkoiksi bittirajojen kohdalta NATin avulla yksityiset osoiteavaruudet käyttöön Reitittimet siirtelevät IP-paketteja verkossa Pakettien välitys (forwarding) Reititys (routing) 2

3 TCP/IP-protokollapino Sovelluskerros Middleware: HTTP, SSL, XML... Siirtokerros: TCP, UDP,... Verkkokerros: IPv4, IPv6 Linkkikerros: Ethernet, MPLS, WLAN, GPRS... Asiakas/palvelinsovellukset ja monenväliset palveluarkkitehtuurit Tiedonsiirto päästä päähän, Internetin yli (end to end) Tiedonsiirto yhden linkin yli 3

4 Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi

5 Tämän luennon jälkeen Ymmärrätte: Linkkikerroksen tehtävän Yleisimmät linkkikerroksen toiminnot MAC osoitteet ja ARP CRC virheenkorjaus random access-monipääsyprotokollat (CSMA) Ethernetin toiminnan Mikä on kytkin ja mitä se tekee Wi-Fin (802.11) perustoiminnan erot Ethernetiin Tiedostatte: Muut monipääsymenetelmät (kanavanjako ja vuorottelu) ( virransäästömekanismin) 5

6 Terminologiaa: Linkkikerros: Johdanto Päätelaitteet ja reitittimet ovat solmuja Viereisiä solmuja yhdistävät tietoliikennekanavat linkkejä Ø langalliset yhteydet Ø langattomat yhteydet Ø Lähiverkot (Local Area Network, LAN) Linkkikerroksen paketti on kehys Lähettävän päätelaitteen verkkokortti (tms.) kapseloi IP paketin linkkikerroksen (esim. Ethernet) kehykseen linkkikerroksen vastuulla on siirtää datagrammi yhdestä solmusta viereiseen solmuun linkin yli Kuvissa = Linkki 6

7 Linkkikerros: Mistä on kyse? Datagrammi siirretään eri linkkiprotokollia käyttäen eri linkkien kautta: Esim., Ethernet ensimmäisellä linkillä, Pointto-Point Protocol (PPP) sitten, WLAN viimeisellä linkillä Jokainen linkkiprotokolla tarjoaa erilaisia palveluita, esim., voi tarjota tai olla tarjoamatta luotettavan tiedonsiirron Matkustusanalogia: Matka Helsingistä Sophia- Antipolisiin taksi: Helsinki-Vantaan lentokentälle Lento: H-V -> Nizza Vuokra-auto: Nizza -> Sophia-Antipolis Turisti = datagrammi Matkan osa = linkki Matkustustapa = linkkikerroksen protokolla Matkatoimisto = reititysalgoritmi 7

8 Linkkikerroksen palvelut Kehystys, siirtotielle pääsy (kaapeli, langaton): kapseloi datagramnin kehykseen, lisää kehyksen otsakkeen ja loppuosan siirtokanavalle pääsyn kontrolli jos jaettu media MAC"-osoitteita käytetään kehyksen otsikoissa tunnistamaan lähde, ja kohde eri kuin IP-osoite! Luotettavan tiedonsiirto vierekkäisten solmujen välillä Virheiden havaitseminen Virheenkorjaus joidenkin linkkien välillä Vuonhallinta Odottelu vierekkäisten vastaanottajien ja lähettäjien välillä Esim. Ethernetin PAUSE-kehys Half-Duplex tai Full-Duplex (siirtosuuntien hallinta) Half-duplex: lähetys vuorotellen Full-duplex: molemmat vastaanottaa ja lähettää samaan aikaan 8

9 Missä linkkikerros on toteutettu? Jokaisessa päätelaitteessa ja verkkolaitteessa Verkkokortti (Network Interface Card, NIC) Ethernet tai kortti/adapteri Toteuttaa linkki- ja fyysisen kerroksen Asennetaan tietokoneen väylään Esim. PCIe Nykyään usein sulautettuna, ei erillinen kortti läppäri, kännykkä Osa linkkikerroksesta softaa joka ajetaan CPU:ssa Esim. paketin välitys IP-kerrokselle Linkkikerroksen toteutus on siis yhdistelmä rautaa, softaa, ja sulautettua ohjelmistoa Software meets hardware sovellus kuljetus verkko linkki linkki fyysinen cpu memory controller fyysinen transmissio väylä (esim., PCIe) Verkkokortti 9

10 Adapterit (verkkokortit) kommunikoivat datagram datagram controller controller lähettäjä kehys datagram vastaanottaja Lähettävä puoli: Kapseloi datagrammin kehykseen Lisää virheenkorjausbitit, vuon ohjaus, jne. Vastaanottava puoli Tutkii mahdolliset siirtovirheet, vuon ohjauksen, jne. Kaivaa datagrammin, ja antaa sen ylemmälle kerrokselle (IP) vastaanottopäässä 10

11 Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi

12 Virheenkorjaus Linkkikerroksella usein toteutetaan vaikka kuljetuskerros jo toteuttaa Vältetään TCP ruuhkanhallinnan reagointi Nopeampi reagointi virheisiin (kuljetuskerros on end2end!) Vähemmän turhaa liikennettä Joskus vain virheen havainnointi, ei korjausta Ethernet Erityisesti langattomilla linkeillä siirtovirheitä voi tulla paljon Signaalin vaimennus, kohina, interferenssi Pyritään myös korjaamaan virheet Virheen havaitseminen ei ole 100% luotettavaa! Enemmän virheenkorjausbittejä -> suurempi hav. todennäköisyys Error Detection ja Correction bitit 12

13 Pariteettitarkistus Yhden bitin pariteetti: Huomaa yhden bitin virheet Kaksidimensionaalinen bittipariteetti: Huomaa ja korjaa yhden bitin virheet Huomaa useamman bitin virheet (muttei korjaa) ykkösten määrä parillinen vai ei

14 Cyclic Redundancy Check (CRC) Tarkastellaan databittejä, D, binäärinumerona Valitaan r+1 bittijono (generaattori), G lähettäjä ja vastaanottaja sopii käytetään standardoituja generaattoreita Lähettäjä valitsee r CRC bittiä (R ao. kuvassa), siten, että <D,R> täsmälleen jaettavissa G:llä (modulo 2), eli jakojäännös nolla Vastaanottaja jakaa <D,R> G:llä Jos jakojäännös ei nolla -> havaittu virhe Voi havaita kaikki purskeiset virheet r+1 bittiin asti Laajalti käytössä Ethernet, WiFi, ATM 14

15 Miten lähettäjä valitsee R:n? Halutaan: D. 2 r XOR R = ng Vastaa, että: D. 2 r = ng XOR R On yhtä kuin: jos jaamme D. 2 r G:llä, saadaan jakojäännös R R D = jakojäännös [. 2 r ] G modulo 2 operaatiot -> ei lainata Lähetettäessä jakojäännös pistetään datan perään Vastaanottaja jakaa koko datan samalla G:llä, ja jos jakojäännös nolla, ei havaittuja virheitä 15

16 Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi

17 Linkit ja resurssit Kahdentyyppisiä linkkejä : Pisteestä-pisteeseen (point-to-point) PPP linkit modeemiyhteyksille, esim. ADSL point-to-point linkit Ethernet kytkimen ja tietokoneiden välillä Yleislähetys (broadcast) (jaettu johto tai radiotaajuus) Vanhanaikainen Ethernet (jossa työasemat kiinni samassa kaapelissa) WLAN eli langaton lähiverkko Langattomat mobiiliverkot GPRS, UMTS Kaapelimodeemit, Bluetooth Yhteinen (jaettu) kaapeli (esim., kaapeloitu Ethernet) Jaettu RF-taajuus (esim., WiFi) jaettu RF (satelliitti) ihmiset cocktail kutsuilla (jaettu ilmatila, akustinen) 17

18 Monipääsyprotokollat Yksi jaettu lähetyskanava Jos kaksi tai useampia lähetyksiä samaan aikaan =>Törmäys ja tieto menetetään Monipääsyprotokollan tehtävät ja tavoitteet: Koordinoi kuka saa käyttää milloinkin jaettua kanavaa Ideaalinen monipääsyprotokolla: Vain yksi käyttäjä -> saa koko kaistan M solmua haluaa lähettää yhtä aikaa -> saavat keskimäärin R/M kaistan R on kanavan koko kapasiteetti Ei kellojen synkronointia, aikavälejä Täysin hajautettu: Ei erikoissolmua joka koordinoi lähetyksiä ja joka vikaantuessaan estäisi koko verkon toiminnan Yksinkertainen ja halpa 18

19 MAC kanavanvarausprotokollat Kolme isompaa luokkaa: Kanavan osittaminen Jaetaan kanava pienempiin osiin (aikavälejä, taajuuksia, CDMAkoodeja) Allokoidaan yksi osa tietyn solmun yksinomaiseen käyttöön Esim. piirikytkentäinen tietoliikenne: Puhelinverkko, GSM, 3G.. Satunnainen pääsy (Random access) Kanavaa ei jaeta, sallitaan törmäykset toivutaan törmäyksistä Esim. Ethernet ja WLAN Vuorottelu Solmut saavat vuoroja lähettää, mutta solmut joilla on enemmän lähetettävää saavat pidempiä vuoroja Esim. IBM Token-Ring 19

20 Satunnainen pääsy (Random Access) Kun solmulla on paketti lähetettävänä Lähetetään täydellä kanavan nopeudella R (Mb/s). Ei etukäteen koordinointia solmujen välillä Yksi tai enemmän lähettäviä solmuja => törmäys lähetetty data korruptoituu Satunnaispääsy MAC yhteyskäytäntö määrittelee: Kuinka törmäykset tunnistetaan Kuinka törmäyksistä toivutaan (esim. viivästettyjen uudelleenlähetysten avulla) Esimerkkiprotokollia: aikajaettu ALOHA ja pelkkä ALOHA (vanhoja) CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA, Tässä termit: CSMA = Carrier Sense Multiple Access, CD= Collision Detection, CA = Collision Avoidance Näitä käytetään Ethernetissä ja WLAN:issa 20

21 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA: Ennen lähetystä kuunnellaan onko siirtotiellä signaalia: Jos kanava on vapaa: lähetetään koko kehys Jos kanava on varattu: viivästetään lähetystä Analogia ihmisten välisessä keskustelussa: Älä keskeytä toista! 21

22 Vaikka siirtotie on lähetettäessä vapaa törmäyksiä voi silti tulla: Etenemisviiveen takia solmu ei tiedä, että toinen on jo aloittanut lähetyksen Samaan aikaan aloittavat törmäys: Koko paketti tuhoutuu CSMA törmäykset Huom.: Etäisyys ja etenemisviive vaikuttavat törmäystodennäköisyyteen Kaapelin maksimipituus ja paketin minimikoko määritelty 22

23 CSMA/CD törmäysten havaitseminen B:n kannalta D:n lähetys huomataan tällä ajan hetkellä D:n kannalta törmäys huomataan vasta tällä ajan hetkellä 23

24 CSMA/CD (Törmäysten havaitseminen) CSMA/CD: kanavan kuuntelu, viivästetään lähetystä kuten CSMA:ssa törmäykset havaitaan lyhyessä ajassa siirto keskeytetään heti törmäyksen jälkeen, jolloin kanavan hukkakäyttö pienenee Törmäysten havaitseminen (= Collision Detection, CD) : langallinen LAN: mitataan signaalin voimakkuutta ja verrataan lähetettyyn vaikeampaa langattomissa LAN:eissa (WLAN): vastaanotetun signaalin taso voi vaihdella melkoisesti ihmisanalogia: kohtelias keskustelija; lopeta puhuminen, jos toinen jo ehti aloittaa 24

25 Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi

26 MAC osoite IP osoite on 32-bittinen : Verkkotason osoite käytetään siihen, että datagrammi saadaan kohdeverkkoon MAC osoite: tehtävä: saada kehys viedyksi yhdestä liitännästä toiseen fyysisesti kytkettyyn liitäntään (sama verkko) 48-bittinen MAC-osoite (useimmissa LAN:eissa) tallennettu verkkokortin (NIC) ROM:iin, joskus ohjelmallisesti muutettavissa tarkoitus on ettei se muutu koskaan 26

27 MAC osoite Jokaisella verkkoadapterilla (kortillla) on uniikki MAC osoite. Verkkokorttien ja tietokoneiden valmistajat saavat käyttöönsä tietyt osoitealueet F7-2B LAN (langallinen tai langaton) 1A-2F-BB AD D7-FA-20-B0 Broadcast osoite = FF-FF-FF-FF-FF-FF (kaikki bitit ykkösiä) Kaikki vastaanottavat broadcast-kehykset = adapteri 0C-C4-11-6F-E

28 MAC osoite MAC osoitteiden allokaatiota hallinnoi IEEE Valmistajat ostavat jonkun osan MAC osoiteavaruudesta (jotta varmistetaan yksikäsitteisyys) analogia: (a) MAC osoite: kuten sotu-numero (b) IP osoite: kuten postiosoite MAC: yksikäsitteinen osoite (flat osoite) -> siirrettävyys LAN kortin (ja tietokoneen) voi viedä LAN:ista toiseen IP:n hierarkkinen osoite vaihtuu kun vaihdetaan verkkoa Osoite riippuu IP-aliverkosta, mihin laite on kytketty 28

29 ARP: Address Resolution Protocol Kysymys: Kuinka selvitetään B:n MAC osoite kun tiedetään B:n IPosoite? F7-2B LAN A-2F-BB AD D7-FA-20-B0 Jokaisessa IP-laitteessa (tietokone, reititin) LAN:issa on ARP taulu ARP taulu: IP/MAC osoitteiden mappaus LAN solmuille < IP osoite; MAC osoite; TTL> TTL (Time To Live): aika jonka jälkeen osoitteiden kytkentä unohdetaan (tyypillinen 20 min) Esim. Windowsissa, komento arp a näyttää koneen IP ja MAC osoitteen kytkennän C-C4-11-6F-E

30 ARP: Sama lähiverkko A lähettää IP-paketin B:lle A ei tiedä B:n MAC-osoitetta Ei ole ARP-taulussa 1. A lähettää ARP kyselypaketin, jossa B:n IP osoite kohde MAC osoite = FF-FF-FF-FF-FF-FF LAN:in kaikki koneet vastaanottavat ARP kyselyn 2. B vastaa A:lle B:n oma MAC-osoite vastauksessa kohdeosoite on A:n MAC osoite (unicast) 3. A tallentaa osoiteparin ARP-tauluunsa Pitää säännöllisesti virkistää 30

31 ARP: toiseen lähiverkkoon Lähetetään paketti A:sta B:hen R:n kautta A tietää B:n IP-osoitteen C-E8-FF-55 A E6-E BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B CC-49-DE-D0-AB-7D R B2-2F-54-1A-0F B 49-BD-D2-C7-56-2A kaksi ARP taulua reitittimessä R, yksi kummallekin IP verkolle (LAN) 31

32 ARP: toiseen lähiverkkoon 1. A luo IP paketin: lähdeosoite A, kohdeosoite B 2. A käyttää ARP:aa saadakseen selville R:n MAC osoitteen vastaava MAC osoite 3. A luo linkkikerroksen kehyksen ja lähettää sen kohdeosoite: R:n MAC osoite sisältö: lähetettävä IP-paketti 4. R dekapseloi IP-paketin kehyksestä -> näkee, että kohdeosoite on B 5. R käyttää ARP:aa saadakseen B:n MAC osoitteen 6. R luo linkkikerroksen kehyksen ja lähettää sen Sisältö: A-B IP-paketti Kohdeosoite: B:n MAC osoite C-E8-FF-55 A E6-E BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B R B2-2F-54-1A-0F B 49-BD-D2-C7-56-2A CC-49-DE-D0-AB-7D 32

33 Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi

34 Ethernet ja vähän historiaa Nykyään dominoiva langallinen LAN teknologia Historiaa: 1970 ALOHAnet radioverkko käyttöön Hawajin saarilla 1973 Metcalf ja Boggs kehittävät ideasta Ethernetin, kilpavarausverkon 1979 DIX Ethernet II Standardi (Digital, Intel, Xerox ->DIX) 1985 IEEE LAN Standardi (10 Mbps) 1995 Fast Ethernet (100 Mbps) 1998 Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet 10 Gbps nyt, 100 Gb/s tulossa Metcalf:in Skitsi: 34

35 Ethernet-kehyksen rakenne IP-paketti otsakkeineen Preamble SD Kohde osoite Lähde Osoite Pituus DATA (muuttuva pituus) Pad CRC tavua Yhteensä tavua Preamble (Alkutahdistus) toistaa kuviota Käytetään vastaanottimen synkronointiin lähettäjän kellon nopeuteen SD aloittaa itse kehyksen tavulla Osoitteet ovat 48-bittisiä MAC-osoitteita Pituus: informaatio-kenttä tavuissa Padding (täytebitit) varmistaa, että kehys on vähintään 64 tavua CRC kattaa osoitteet, pituuden, informaation ja täytebitit 35

36 Ethernetin osoitteet Voidaan lähettää täsmälähetyksiä (unicast), ryhmälähetyksiä (multicast) tai yleislähetyksiä (broadcast) Ekan tavun 1. (vähiten merkitsevä) bitti kertoo onko kyseessä täsmälähetys (0) vai ryhmälähetys (1) Yleislähetys on osoitteelle ff:ff:ff:ff:ff:ff (kaikki bitit 1) Erityisesti ARP ja DHCP käyttää yleislähetystä Ekan tavun 2. bitti kertoo onko kyseessä paikallinen (vaihdettava) vai globaali (kiinteä) osoite 3 ensimmäistä tavua (miinus kaksi ensimmäistä bittiä) on Organizationally Unique Identifier (OUI) 3 viimeistä tavua on valmistajan valittavissa 36

37 Ethernet-palvelu Yhteydetön: Ei kättelyä (handshaking) lähettävän ja vastaanottavan NIC:in välillä Epäluotettava: vastaanottava NIC ei lähetä kuittauksia (ack / nack) lähettävälle NIC:ille Vialliset paketit vain hylätään TCP uudelleenlähettää lopulta puuttuvat segmentit Ethernetin MAC protokolla: CSMA/CD 37

38 Ethernetin tähti(star)-topologia Väylätopologia (yhteinen jaettu kaapeli) suosittu 90- luvun puoliväliin asti Kaikki solmut samassa mediassa ja törmäyksiä sattuu Tänään: Käytännössä tähtitopologia (star) Aktiivinen kytkin (switch) keskellä Jokainen osallistuja ( haara ) käyttää omaa Ethernet protokollaa (solmut eivät törmää keskenään) kytkin bussi: koaksiaalikaapeli Tähti (star) 38

39 Ethernetin CSMA/CD 1. Vastaanota IP-paketti ja luo kehys 2. Carrier Sense (CS) Kanava on vapaa -> lähetä kehys Kanava varattu -> odota kunnes vapaa ja sitten lähetä 3. Collision Detection (CD) Havaitaan toinen lähetys -> keskeytä lähetys ja lähetä ruuhkasignaali (jam signal) Varmistetaan, että kaikki muut lähettäjät ovat selvillä törmäyksestä 4. Jos törmäys -> exponentiaalinen peruutus (exponential backoff) Adaptoidaan uudelleenlähetysyritykset arvioituun silloiseen kuormaan Paljon lähetyksiä -> pidempi odotus m:nnen törmäyksen jälkeen valitse K:n satunnaisesti väliltä {0,1,2,,2m-1} Satunnainen viive jottei yhtäaikaiset lähettäjät ole synkassa Odota K*512 bitin aikaa, ja palaa sitten vaiheeseen 2 39

40 802.3 Ethernet Standardit: linkki & fyysinen kerros erilaisia Ethernet standardeja Yhteinen MAC-protokolla ja kehysformaatti Erilaisia nopeuksia: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps Erilaisia siirtoteitä (media): kuitu, kaapeli BASE = baseband signalointi sovellutus transport verkko Linkki fyysinen MAC protokolla ja kehysformaatti 100BASE-TX 100BASE-T4 100BASE-T2 100BASE-SX 100BASE-FX 100BASE-BX kuitu fyysinen kerros kupari (T, Twisted pair; kierretty pari) fyysinen kerros 40

41 Keskitin (Hub) fyysisen-kerroksen ( tyhmä ) toistin bitit sisään yhdestä linkistä -> ulos kaikkiin muihin linkkeihin samalla nopeudella Paketit kaikista linkeistä, jotka kytketyt hub:iin voivat törmätä keskenään Ei kehysten puskurointia Ei CSMA/CD hubissa -> tietokoneiden NIC:it havaitsevat törmäykset kierretty pari hub 41

42 Kytkin (Switch) Kytkin on fiksumpi kuin hub Varastoi ja välittää Ethernet kehyksiä Tutkii sisääntulevan kehyksen MAC osoitteen, ja välittää kehyksen yhteen tai useaan ulosmenevään linkkiin. Läpinäkyvä tietokoneet eivät tiedä kytkinten olemassaoloa Plug-and-play, itseoppiva Kytkimen välitystaulua ei tarvitse manuaalisesti konfiguroida 42

43 Kytkin: useita samanaikaisia lähetyksiä A Tietokoneilla on omat suorat liitäntänsä kytkimeen Kytkimet puskuroivat paketteja Mitenkäs törmäykset ja CSMA/ CD? Vast: Jokainen linkki on oma törmäys-alueensa Full duplex linkit -> ei törmäyksiä -> ei tarvita CSMA/CD Myös voi olla pidempi kaapeli half duplex -> tarvitaan CSMA/CD Max kaapelin pituus lyhyempi Kytkeminen: A-A ja B-B yhtä aikaa, ilman törmäyksiä ei mahdollista hubilla C B A B kytkin jossa kuusi liitäntää (1,2,3,4,5,6) C 43

44 Kytkintaulu Miten kytkin tietää että A saavutettavissa liitännän 4, ja B saavutettavissa liitännän 5 kautta? Vastaus: jokaisella kytkimellä on kytkintaulu (Switch Table), jokainen rivi: <laitteen MAC osoite, liitäntä jonka kautta saavutetaan tietokone, aikaleima> näyttää reititystaululta Kysymys: Kuinka kytkintaulun rivit luodaan ja ylläpidetään kytkintaulussa? kuten reititysprotokolla vai? C B 6 5 A A Kytkin, jossa kuusi liitäntää (1,2,3,4,5,6) B C 44

45 Kytkin: itse-oppiva (selflearning) Lähde: A Kohde: A A A A Kytkin oppii Kun kehys vastaanotetaan, opitaan lähettäjän sijainti Kytkin lisää lähettäjä/sijainti parin kytkintauluun MAC osoite liitäntä TTL A 1 60 C 1 2 A 6 A B C B A kytkintaulu (Switch Table) Mihin kytkin lähettää kehyksen? 45

46 Kytkin vs. reititin Molemmat varastoi-ja-välitä (store-and-foward) laitteita reitittimet: verkkokerros laitteita (tutkivat verkkokerroksen otsakkeen/osoitteen) Kytkimet ovat linkkikerros laitteita Reitittimet ylläpitää reititystaulua, toteuttaa reititysalgoritmit parhaan reitin valinta hitaampi paketin prosessointi kuin kytkimessä Kytkimet ylläpitää kytkintaulua oppivat algoritmit yleislähetysprotokollat (esim. ARP) rajoittaa verkon topologiaa ja kokoa Spanning Tree protokolla Pyritään estämään looppeja -> L2 protokollissa ei ole TTL-kenttiä! päätelaite kytkin reititin päätelaite 46

47 Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi

48 Langattoman verkon (WLAN) käsitteitä Keskitytään vain IEEE:n standardoimaan WLAN:iin Tietokoneita, joissa WLAN adapteri (uusissa koneissa usein osa emolevyä) verkkoinfrastruktuuri WLAN tukiasema (Access Point) Tukiasema välittää paketteja langallisen verkon ja langattomien tietokoneiden välillä toimialueellaan infrastruktuuri moodi tukiasema yhdistää terminaalit langallisen verkkoon Hand-off: terminaali vaihtaa tukiasemaa, joka tarjoaa liitännän langallisen verkkoon 48

49 WLAN arkkitehtuuri Internet Infrastruktuurimoodi: kaikki liikenne aina tukiaseman kautta ad hoc moodi: vain tietokoneita, joka kommunikoivat suoraan keskenään AP hub, kytkin tai reititin Basic Service Set (BSS) (eli solu ) infrastruktuuri moodissa sisältää: langattomia laitteita tukiasemia (AP) BSS 1 AP BSS 2 49

50 IEEE WLAN: Monipääsy Vältetään törmäyksiä (CA= Collision Avoidance). Kaksi asemaa saattavat lähettää samaan aikaan 802.3: CSMA/CD kanavaa kuunnellaan ennen lähetystä, ei törmätä meneillään olevaan transmissioon erilainen: ei törmäyksen havaitsemista! vastaanottajan on vaikea havaita törmäyksiä kun vastaanotettu signaali heikko (fading =häipymä) kaikkia törmäyksiä ei havaita joka tapauksessa : hidden terminal, fading => tavoite: vältetään törmäyksiä: CSMA/CA (Collision Avoidance) A C B A B C A:n signaalin voimakkuus C:n signaalin voimakkuus paikka 50

51 CSMA/CA lähettäjä CS: jos vapaa kanava DIFS:n ajan lähetä koko kehys (ei CD) CS: jos kanava varattu Aseta satunnainen odotusaika (backoff) Kun laskuri nollassa ja kanava vapaa -> lähettä jos ei ACK, lisää satunnainen backoff väliaika, toistetaan 2 DIFS lähettäjä data vastaanottaja vastaanottaja jos kehys vastaanotettu OK - lähetä ACK SIFS odotusajan jälkeen - ACK tarvitaan hidden terminal-ongelman takia ACK SIFS DIFS = DCF Interframe Spacing SIFS = Short Interfarme Spacing SIFS lyhyempi kuin DIFS 51

52 CSMA/CA Miksi DIFS ja SIFS? Voidaan priorisoida eri kehyksiä SIFS < DIFS -> kuittaukset saavat prioriteetin Miksi satunnainen odotus? Esim. kaksi lähettäjää odottaa kolmannen hiljenemistä. Ilman odotusta, molemmat lähettäisi heti kolmannen lopetettua -> törmäys jota ei havaita (ei CD) -> koko kehykset lähetetään turhaan odotus satunnainen joten eri odotusajat -> toinen aloittaa ensin -> toinen havaitsee ensin aloittaneen ja jatkaa odotusta 52

53 802.11: Kehys ja osoitteistus kehys kontrolli kesto osoite 1 osoite 2 osoite 3 seq control osoite 4 DATA CRC Osoite 1: Vastaanottavan noodin MAC-osoite tai vastaanottavan AP:n osoite Osoite 3: MAC osoite reitittimelle, johon AP liitetty Osoite 4: käytetään ad hoc moodissa (Ei AP:tä) Osoite 2: Lähettäjän MAC-osoite tai lähettävän AP:n MAC osoite 53

54 802.11: Kehys ja osoitteistus H1 R1 reititin Internet AP R1 MAC addr H1 MAC addr kohde osoite lähde osoite kehys AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr osoite 1 osoite 2 osoite kehys 54

55 Yhteenveto Periaatteet datalinkki kerroksen palveluissa: virheiden havainti, korjaus Ethernetissä jaettu (broadcast) kanava: monipääsy linkkikerroksella oma osoitteistus MAC osoitteet Uniikkeja, ei vaihdu kuten IP osoitteet ARP: IP -> MAC osoitteenhaku Eri linkkikerros standardeilla omat toteutusteknologiat Ethernet ja kytketty Ethernet WiFi Langattomissa verkoissa eri menetelmät törmäysten hallintaan törmäysten välttely: CSMA/CA RTS/CTS signalointi piilotetun terminaalin ongelman välttämiseksi Virheiden havaitseminen ja korjaaminen tärkeää verkon liian kuormittumisen välttämiseksi langattomissa verkoissa erityisen tärkeää koska bittivirheet yleisiä 55

56 Tulevilla luennolla Tietoverkkojen turvallisuudesta Tietoturvallisuus Uhkia ja hyökkäyksiä verkossa Tietoverkkojen turvaratkaisuja Tiedonsiirron perusteita ja fyysinen kerros Miten kehykset siirretään kaapeleissa, kuidussa ja radioaalloilla solmusta seuraavaan (linkkien väli) pitkiäkin matkoja Signaalin (mm. puheen) näytteenotto ja koodaus, 64 kb/s puhelinsignaali. Bittinopeudet, bittivirhesuhde. Kanavanjako / multipleksointi: Aikajako, taajuusjako, koodijako Siirron rajoitukset: Kohina, häiriöt radiotaajuuksien tai kaistan riittäminen Yhteys linkkikerroksen ja fyysisen kerroksen välillä 56

57 Jatkokursseilla WPAN Bluetooth, ZigBee/ Liikkuvuudenhallintaa Data centerit ja L2/L3 Optimoidut verkkoarkkitehtuurit ja protokollat Virrankulutuksesta Mittaaminen, mallintaminen ja optimointi 57

58 Kysymyksiä Miten linkkikerroksella havaitaan ja korjataan virheitä? CRC pääasiassa Miksi linkkikerroksen protokollissa on alkumerkkejä? Synkronointi lähettäjän kelloon Miksi tarvitaan monipääsyprotokollia? Useita päätelaitteita samassa linkissä (broadcast domain) Vältetään törmäyksiä (pakettien signaalit sekoittuvat) Miksi Ethernet-kaapelilla on maksimipituus? Signaali vaimenee CSMA/CD ei toimi jos liian pitkä Miksi Ethernetin ja WLANin törmäystenhallinta on erilaista? Langattomissa verkoissa CD on vaikeaa/mahdotonta Mitä eroa on kytkimellä ja reitittimellä? Kytkin on L2, reititin on L3 (IP) 58