ELEC-C7241 Tietokoneverkot Linkkikerros

Transkriptio

1 ELEC-C7241 Tietokoneverkot Linkkikerros Pasi Sarolahti (useimmat kalvot: Sanna Suoranta)

2 Linkkikerros -- Agenda Perusteita Monipääsyprotokollat (Multi Access Protocols) Osoitteet linkkikerroksella Kytkimet Langattomat linkit: WiFi

3 Palautteesta Esseekysymykset jakavat mielipiteitä Tietoa onnistumisesta joutuu odottamaan Vastausta ei löydy materiaalista, hakuun menee aikaa Materiaalin laadussa parantamista

4 Internet-protokollapino Sähköposti Facebook Ohjelmistot (software) Web-selain Käyttöjärjestelmä (operating system, OS) Laiteajurit (drivers) Sovelluskerros Kuljetuskerros Verkkokerros Linkkikerros Fyysinen kerros Erottaa (fyysisen) lähiverkon koneet toisistaan ja huolehtii yhteyksistä niiden välillä 4

5 Linkkikerroksen palvelut Kehystys, siirtotielle pääsy: Kapseloi IP-paketin kehykseen ja lisää kehyksen otsakkeen ja loppuosan Siirtokanavalle pääsyn kontrolli, jos jaettu media Käytetään MAC-osoitteita (ei IP-osoitteita!) 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 5

6 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 Usein sulautettuna, ei erillinen kortti Osa linkkikerroksesta softaa joka ajetaan koneen CPU:ssa Esim. paketin välitys IP-kerrokselle sovellus kuljetus verkko linkki linkki fyysinen cpu memory controller fyysinen transmissio väylä (esim., PCIe) Verkkokortti 6

7 Mikä on lähiverkko? Lähiverkko (Local Area Network, LAN) voi olla langallinen tai langaton (WLAN) Esim. Ethernet- tai Wi-Fi-verkko Maantieteellisesti rajatulla alueella toimiva verkko Esim. koti, toimisto, yliopistokampuksen osa Layer-2 (linkkikerros) verkko Verkkolaitteet eivät toteuta IP-protokollaa Ei IP-reitittimiä, pelkästään linkkikerroksen kytkimiä, hubeja, toistimia 7

8 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 Jaettu RF-taajuus (esim., WiFi) jaettu RF (satelliitti) ihmiset cocktail kutsuilla (jaettu ilmatila, akustinen) Yhteinen (jaettu) kaapeli (esim., kaapeloitu Ethernet) 8

9 Monipääsyprotokollat Yksi jaettu lähetyskanava Monipääsyprotokolla koordinoi kuka saa käyttää milloinkin jaettua kanavaa Ideaali monipääsyprotokolla: Yksi lähettäjä à saa koko kaistan M samanaikaista lähettäjää à jokainen saa R/M kaistan R on kanavan koko kapasiteetti Ei kellojen synkronointia, aikavälejä Täysin hajautettu Ei koordinaattorisolmua (single point of failure) Yksinkertainen ja halpa 9

10 Monipääsyprotokollat Kanavan osittaminen Jaetaan kanava pienempiin osiin (aikavälejä, taajuuksia, CDMA-koodeja) Allokoidaan yksi osa tietyn solmun yksinomaiseen käyttöön Esim. piirikytkentäinen tietoliikenne: Puhelinverkko, GSM, 3G.. Vuorottelu Solmut saavat vuoroja lähettää, mutta solmut joilla on enemmän lähetettävää saavat pidempiä vuoroja Esim. IBM Token-Ring Satunnainen pääsy (Random access) Kanavaa ei jaeta, sallitaan törmäykset toivutaan törmäyksistä Esim. Ethernet ja WLAN 10

11 Kanavan osittaminen: TDMA TDMA: time division multiple access kierroksittainen pääsy kanavaan jokainen laite saa määritellyn mittaisen aikaikkunan (time slot) joka kierroksella pituus = paketin lähetysaika käyttämättömät ikkunat laskevat kanavan käyttöastetta esim: 6-laitteen LAN, 1,3,4 lähettävät paketin, 2,5,6 idlaavat 6-slot frame 6-slot frame

12 Kanavan osittaminen: FDMA FDMA: frequency division multiple access kanavan koko spektri jaettu pienemmiksi taajuusalueiksi jokaiselle laitteelle annetaan tietty taajuusalue käyttämättömät taajuusalueet alentavat koko kanavan käyttöastetta esim: 6-laitteen LAN, 1,3,4 lähettää paketin, 2,5,6 idlaa FDM cable frequency bands 12

13 Vuorottelu -protokollat pollaus: isäntälaite kutsuu orjalaitteet lähettämään vuorollaan tyypillisesti käytössä tyhmien orjalaitteiden kanssa ongelmia: pollaus overhead viive single point of failure (isäntä) orjat data data poll isäntä 13

14 Vuorottelu -protokollat token passing: token (poletti) välitetään laitteelta seuraavalle token viesti ongelmia: token overhead viive single point of failure (token) (ei lähetettävää) T T data 14

15 Random Access: Törmäykset (collisions) Ei sovittuja lähetysaikatauluja solmujen välillä Kukin solmu voi lähettää koska haluaa Törmäys : Kaksi tai useampi solmu lähettää samaan aikaan vastaanottajat kuulevat kaikki lähetykset yhtä aikaa vastaanottajat eivät pysty erottelemaan eri lähetyksiä toisistaan muuten kyseessä olisi jaettu kanava Törmäyksen aikana lähetetty data korruptoituu Pitää lähettää uudelleen 15

16 Random Access protokollat Periaatteet: Pyritään varmistamaan ettei törmäyksiä tapahdu Pyritään joko tunnistamaan törmäykset tai välttämään niitä Protokolla määrittelee: Kuinka törmäyksiä vältetään Kuinka törmäykset tunnistetaan Kuinka törmäyksistä toivutaan Esimerkkiprotokollia: (slotted) ALOHA CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA, CSMA = Carrier Sense Multiple Access, CD= Collision Detection, CA = Collision Avoidance Käytetään Ethernetissä ja WLAN:issa 16

17 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! 17

18 CSMA: törmäykset Vaikka siirtotie on lähetettäessä vapaa törmäyksiä voi silti tulla: Etenemisviiveen takia solmu ei tiedä, että toinen on jo aloittanut lähetyksen Samaan aikaan aloittavat Etäisyys ja etenemisviive vaikuttavat törmäystodennäköisyyteen Kaapelin maksimipituus ja paketin minimikoko määritelty B huomaa törmäyksen t 0 : B aloittaa lähetyksen t 1 : D aloittaa lähetyksen D huomaa törmäyksen 18

19 CSMA/CD (collision detection) 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 linkki: mitataan samanaikaisesti vastaanotetun signaalin voimakkuutta ja verrataan lähetettyyn langattomat linkit (WLAN): käytännössä mahdotonta full duplex radioita ei ole (pl. tutkimusprotot) signaalin vaimenemisen vuoksi ei havaita kaikkia törmäyksiä (hidden terminal) 19

20 Esimerkki: Ethernetin CSMA/CD 1. Vastaanota IP-paketti ylemmältä kerrokselta ja luo kehys 2. Carrier Sense (CS) Kanava on vapaa à lähetä kehys Kanava varattu à odota kunnes vapaa ja sitten lähetä 3. Collision Detection (CD) Havaitaan toinen lähetys à keskeytä lähetys ja lähetä ruuhkasignaali (jam signal) Varmistetaan, että kaikki muut lähettäjät ovat selvillä törmäyksestä 4. Jos törmäys à exponentiaalinen peruutus (exponential backoff) Adaptoidaan uudelleenlähetysyritykset arvioituun silloiseen kuormaan Paljon lähetyksiä à 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 20

21 MAC-osoite Linkkikerroksella käytössä MAC-osoitteet (MAC=Media Access Control) IP-osoite on verkkokerroksen osoite Käytetään paketin ohjaamisessa kohdeverkkoon (usein usean verkon läpi) 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 21

22 MAC-osoite Jokaisella (MAC-osoitteita käyttävällä) verkkoadapterilla (kortillla) on uniikki MACosoite. 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

23 MAC-osoite MAC-osoitteiden allokaatiota hallinnoi IEEE Yrityksen tunniste + yrityksen allokoima osa Analogia: MAC-osoite ßà sotu IP-osoite ßà postiosoite MAC-osoite ei vaihdu siirryttäessä verkosta toiseen IP-osoite vaihtuu kun vaihdetaan verkkoa Osoite riippuu IP-aliverkosta, mihin laite on kytketty Osoitehierarkia mahdollistaa tehokkaan reitityksen 23

24 ARP: Address Resolution Protocol Kuinka selvitetään vastaanottajan MAC osoite kun tiedetään sen IP-osoite? 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) C-C4-11-6F-E

25 ARP: Sama lähiverkko A lähettää IP-paketin B:lle A ei tiedä B:n MAC-osoitetta Ei ole (vielä) ARP-taulussa 1. A lähettää ARP kyselypaketin, jossa B:n IP-osoite Yleislähetys: 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 osoiteparinarp-tauluunsa Pitää säännöllisesti virkistää, muuten unohdetaan (soft state) 25

26 Lähetys toiseen lähiverkkoon Lähetetään paketti A:sta B:hen R:n kautta A tietää B:n IP-osoitteen (DNS kysely) A C-E8-FF-55 CC-49-DE-D0-AB-7D E6-E BB-4B A-23-F9-CD-06-9B R B2-2F-54-1A-0F B 49-BD-D2-C7-56-2A kaksi ARP taulua reitittimessä R, yksi kummallekin IP verkolle (LAN) 26

27 Keskitin (Hub) fyysisen-kerroksen ( tyhmä ) toistin bitit sisään yhdestä linkistä à ulos kaikkiin muihin linkkeihin samalla nopeudella Paketit kaikista linkeistä, jotka kytketyt hub:iin voivat törmätä keskenään Ei kehysten puskurointia Ei CSMA/CD hubissa à päätelaitteiden verkkokortit havaitsevat törmäykset Keskitin voidaan myös ajatella toimivan kerroksella 1 hub kierretty pari 27

28 Kytkin (Switch) Kytkin on fiksumpi kuin hub Varastoi ja välittää Ethernet kehyksiä Välittää kehyksen eteenpäin yhteen tai useampaan linkkiin MAC osoitteen perusteella Läpinäkyvä Päätelaitteet eivät tiedä kytkinten olemassaoloa (samoin kuin hub) Plug-and-play, itseoppiva Kytkimen välitystaulua ei tarvitse manuaalisesti konfiguroida 28

29 Kytkin: samanaikaisia lähetyksiä Tietokoneilla on omat suorat liitäntänsä kytkimeen Kytkimet puskuroivat paketteja Entä törmäykset ja CSMA/CD? Jokainen linkki on oma törmäysalueensa (collision area, CA) Full duplex linkit à ei törmäyksiä à ei tarvita CSMA/CD Half duplex à tarvitaan CSMA/CD Kytkeminen: A-A ja B-B yhtä aikaa, ilman törmäyksiä ei mahdollista hubilla C 6 5 A A 1 2 B C 4 3 kytkin jossa kuusi porttia (1,2,3,4,5,6) B 29

30 Kytkintaulu Miten kytkin tietää että A saavutettavissa liitännän 4, ja B saavutettavissa liitännän 5 kautta? Jokaisella kytkimellä on kytkintaulu (Switch Table), jokainen rivi: <laitteen MAC osoite, liitäntä jonka kautta saavutetaan tietokone, aikaleima> näyttää reititystaululta A C B B C A kytkin jossa kuusi porttia (1,2,3,4,5,6) 30

31 Kytkin on itseoppiva lähettäjä: A kohde: A Kytkin oppii Kun kehys vastaanotetaan, opitaan lähettäjän sijainti Kytkin lisää lähettäjä/sijainti parin kytkintauluun MAC osoite liitäntä TTL A 1 60 A A A C B B C A kytkintaulu (Switch Table) 31

32 Kytketty ja reititetty verkko ulkopuolinen verkko (Internet) reititin sähköpostipalvelin Web-palvelin IP-aliverkko 32

33 Erilaisia langattomia linkkiteknologioita ac Tiedonsiirtonopeus (Mbps) n a,g b G: LTE, LTE-Advanced 3G: UMTS/WCDMA-HSPDA, CDMA2000-1xEVDO 2.5G: GPRS, EDGE, CDMA2000-1xRTT 2G: IS-95, CDMA, GSM Sisätilat 10-30m Lyhyt kantama m Keskipitkä kantama 200m 4 Km Pitkä kantama 5Km 20 Km

34 Langattomat verkot verkkoinfrastruktuuri infrastruktuuritila v v tukiasema yhdistää langattomat laitteet verkkoon handoff: mobiililaite vaihtaa tukiasemaa johon on yhteydessä

35 Langattomat verkot ad hoc -tila v ei tukiasemia v laitteet viestivät niiden laitteiden kanssa jotka ovat kantaman päässä v laitteet järjestävät itsensä verkoksi: reitittävät paketteja keskenään

36 Langattoman linkin laatu Useat langattomien linkkien ominaisuudet tekevät tiedonsiirrosta haastavampaa kuin langallisissa linkeissä Häviö (path loss): radiosignaali vaimenee kulkiessaan aineen (ilman) läpi Häiriö (interference): Muut laitteet aiheuttavat, standardoidut taajuusalueet yleisessä käytössä (esim., 2.4 GHz) Monitie eteneminen (multipath propagation): signaali heijastuu pinnoista ja saapuu eriaikaisesti vastaanottajalle 36

37 lähiverkkoteknologiat b (1999) 2.4 GHz kaista Max. lähetysnopeus 11 Mbps ei juuri enää käytetä a (1999) 5 GHz kaista max. lähetysnopeus 54 Mbps ei juuri enää käytetä Eri taajuusalueet g (2003) 2.4 GHz kaista Max. lähetysnopeus 54 Mbps Vielä laajalti käytössä n (2009) 2.4/5 GHz kaistat Moniantennilähetys (MIMO) 2 kanavanleveyttä (20/40MHz) max. lähetysnopeus 600 Mbps Oletusteknologia tänä päivänä ac (2013) 5GHz kaista Vielä leveämmät kanavat (80 ja 160 MHz) MIMO Multi-user MIMO max. yhdistetty lähetysnopeus 7Gb/s

38 kanavat: 2.4 GHz Karvalakki Wi-Fi (802.11g) käyttää 2.4GHz 14 kanavaa käytössä Taajuusalueet menevät päällekkäin Vain muutamaa kanavaa voi käyttää yhtäaikaisesti häiritsemättä toisiaan 1, 6, 11 tai 1, 5, 9, 13 jos kanava 13 käytössä (esim. Eurooppa) Ruuhkainen taajuusalue Häiriölähteitä: mikroaaltouunit, vauvahälyttimet, autotallin avaajat Ylläpitäjä valitsee käytettävän kanavan Tukiasemat ei yleensä osaa itsekonfiguroitua

39 kanavat: 5 GHz 5 GHz taajuusalue on leveämpi Vapaat kanavat riippuvat maanosasta 19 ei päällekkäistä kanavaa Euroopassa 24 Ameriikoissa Uudempi n käyttää sekä 5GHz että 2.4GHz Uusin ac käyttää vain 5GHz Käytännössä tukiasemat tukee myös n 2.4GHz D = Dynamic Frequence Selection required 39

40 Hidden terminal B A A s signal strength B B s signal strength A space A lähettää tukiasemalle B haluaisi lähettää myös Mikä on ongelma? A on piilossa B ei kuule A:n lähetystä à kanava vapaa ja voidaan lähettää AP kuulee molemmat à tapahtuu törmäys 40

41 RTS/CTS: esimerkki A AP B varaukset törmäävät DATA (A) odota aika

42 RTS/CTS Edut Vältetään datakehysten törmäykset RTS kehykset pieniä à niiden törmäys ei iso ongemla Ratkaisee (osittain) hidden terminal ongelman Kaikki kuulevat tukiaseman lähettämän CTS:n Samoin myös exposed terminal -ongelman Haitat Jos kuulee RTS:n muttei CTS:ä à voidaan lähettää Lisää viivettä ja RTS:t ovat overhead, jos ei paljon törmäyksiä Ei hyötyä, jos lähetetään pieniä kehyksiä à Käytetään yleensä vain kun kehyksen koko ylittää jonkin raja-arvon 42