Internet ja tietoverkot. 5 Siirtoyhteyskerros ja paikallisverkot. Oulun yliopisto Tietojenkäsittelytieteiden laitos Periodi / 2015

Transkriptio

1 811338A 5 Siirtoyhteyskerros ja paikallisverkot Oulun yliopisto Tietojenkäsittelytieteiden laitos 2014 / 2015

2 Siirtoyhteyskerros ja paikallisverkot Luento pohjautuu kirjan James F. Kurose, Keith W. Ross, Computer Networking, A Top-Down Approach, 6th (International) ed., Pearson Education Limited, 2013, ISBN 10: , ISBN 13: viidenteen lukuun. 2

3 Mitä käsitellään 1. Johdanto 2. Virheentarkistus ja korjaus 3. Monipääsylinkit ja protokollat 4. Kytkimillä varustetut paikallisverkot 5. Linkin virtualisointi: verkkokerros yhteyskerroksena 6. Datakeskusten verkkotoiminta 7. Katsaus menneisyyteen: web sivun haku 3

4 1. Johdanto Mitä käsitellään 1.1 Siirtoyhteyskerroksen palvelut 1.2 Missä siirtoyhteyskerros implementoidaan? 2. Virheentarkistus ja korjaus 2.1 Pariteetintarkastus 2.2 Tarkistussummamenetelmät 2.3 Syklinen redundanssitarkastus (CRC) 3. Monipääsylinkit ja protokollat 3.1 Taustaa 3.2 Kanavanositusprotokollat 3.3 Satunnaispääsyprotokollat 4

5 Mitä käsitellään 3. Monipääsylinkit ja protokollat (jatkuu... ) 3.4 Vuorotteluprotokollat 3.5 DOCSIS: kaapeliyhteysverkkojen siirtoyhteysprotokolla 4. Kytkimillä varustetut paikallisverkot 4.1 Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus ja ARP 4.2 Ethernet 4.3 Siirtoyhteyskerroksen kytkimet 4.4 Virtuaaliset paikallisverkot 5. Linkin virtualisointi: verkkokerros yhteyskerroksena 5.1 MPLS (Multiprotocol Label Switching, leimakytkentä) 6. Datakeskusten verkkotoiminta 5

6 Mitä käsitellään 7. Katsaus menneisyyteen: web sivun haku 7.1 Aloitus vaihe 1: DHCP, UDP, IP ja Ethernet 7.2 Aloitus vaihe 2: DNS ja ARP 7.3 Aloitus vaihe 3: Intra-AS reititys DNS-palvelimelle 7.4 Webin asiakas-palvelin kommunikointi 6

7 1. Johdanto 1.1 Siirtoyhteyskerroksen palvelut 1.2 Missä siirtoyhteyskerros implementoidaan? 7

8 Johdanto siirtoyhteyskerros = yhteyskerros = linkkikerros siirtoyhteyskerros: pakettien kuljetus yli yksittäisen kommunikaatiokanavan (linkin) kaksi siirtoyhteyskerroksen kanavamallia: radiokanava ja pisteestä pisteeseen kanava verkon isäntäkoneet, reitittimet, kytkimet ja tukiasemat solmuja, kommunikaatiokanavat linkkejä lähettävä solmu kapseloi datagrammin linkkikerroksen kehykseen (frame) ja toimittaa sen linkkiin, vastaanottava solmu purkaa datagrammin kehyksestä 8

9 Kuva 1 Siirtoyhteyskerros: kuusi linkkiä kannettavan ja palvelimen välillä 9

10 1. 1 Siirtoyhteyskerroksen palvelut siirtoyhteyskerroksen protokolla määrittää linkin yli siirrettävän paketin (PDU:n) formaatin; ja päätysolmujen suorittamat toiminnot pakettia siirrettäessä kehys kapseloi (yleensä) yhden datagrammin esim. yhteyskerroksen protokollista: Ethernet, IEEE wireless LANs (Wi Fi), token ring ja PPP eri linkeissä voi olla käytössä eri protokollat (ja eri palvelut) siirtoyhteyskerroksen protokollan palvelut kehyksen muodostaminen linkkiin pääsy: (Medium Access Control Protocol, MACprotokolla) 10

11 Siirtoyhteyskerroksen palvelut (2) luotettava datansiirto virheen havaitseminen ja korjaus siirtoyhteyskerroksen ja kuljetuskerroksen palvelujen välillä samankaltaisuuksia (luotettava tiedonsiirto, virhekontrolli, vuonohjaus) ero: kuljetuskerroksessa kahden prosessin välisiä päästä päähän palveluja, yhteyskerroksessa kahden naapurisolmun välisiä pisteestä pisteeseen palveluja 11

12 1. 2 Missä siirtoyhteyskerros implementoidaan siirtoyhteyskerrosprotokolla pääosin implementoitu verkkokorttiin (network interface card, NIC) eli adapteriin (network adapter) verkkokortti sisältää RAM-muistin, DSP-siruja, isäntäkoneen väylärajapinnan sekä linkkirajapinnan suorittaa kehystämisen ja välittää kehyksen linkkiin tuottaa yhteysprotokollan takaamat palvelut on osittain itsenäinen kokonaisuus (voi esim. hylätä saapuvan kehyksen virheellisenä keskusyksikölle) suosittujen yhteyskerrosteknologioiden verkkokortit ovat huokeita 12

13 Kuva 2 Verkkokortti ja siirtoyhteyskerroksen protokolla 13

14 Kuva 3 Verkkokortti on osittain itsenäinen kokonaisuus PCI = Peripherial Component Interconnect 14

15 2. Virheentarkistus ja korjaus 2.1 Pariteetintarkastus 2.2 Tarkistussummamenetelmät 2.3 Syklinen redundanssitarkastus (CRC) 15

16 Virheentarkistus ja -korjaus siiirtoyhteyskerrosprotokollan palveluja: bittitason virheentarkastus ja korjaus lähettävä solmu määrittää kehyksen otsikosta ja datagrammista virheentarkastus- ja korjausbitit (errordetection and correction bits, EDC), joka liitetään kehykseen vastaanottaja määrittää saamastaan kehyksestä puolestaan vastaavat bitit ja vertaa niitä kehyksessä saapuneeseen kolme virheenpaljastustekniikkaa: pariteetintarkistus, (parity checking), tarkistussummaus (checksumming) ja syklinen redundanssitarkistus (cyclic redundancy checking) 16

17 Kuva 4 Virheentarkistus ja -korjaus 17

18 2. 1 Pariteetintarkistus yksinkertainen menetelmä: pariteettibitin käyttö lähetettävän viestin m binääriesitykseen lisätään yksi bitti, joka kertoo onko siinä parillinen vai pariton määrä ykkösbittejä tavallisesti: pariteettibitti on 1, jos m:ssä ykkösiä pariton määrä; pariteettibitti on 0, jos m:ssä ykkösiä parillinen määrä edellisen yleistys: kaksiulotteinen pariteetintarkastus lähetettävästä viestin m binääriesityksestä muodostetaan matriisi, jossa on i vaaka- ja j pystyriviä jokaiselle vaakariville ja jokaiselle pystyriville määritetään pariteettibitti edellä esitetyllä tavalla 18

19 Kuva 5 Yhden bitin pariteetti 19

20 Pariteetintarkistus (2) vaakarivien (vast. pystyrivien) pariteettibitit lisätään vaakarivien (vast. pystyrivien) loppuun pariteettibittiriveille (sekä vaaka- että pystyriville) määritetään vielä (yhteinen) pariteettiarvo, joka lisätään alkioksi (i+1, j+1) matriisiin jos siirrossa tapahtuu ainoastaan yksi bittivirhe, vastaanottaja pystyy paitsi paljastamaan, myös korjaamaan virheen (vrt. virheitä korjaavat koodit) jos siirrossa kaksi bittivirhettä, vastaanottaja kykenee havaitsemaan virheen, mutta ei välttämättä korjaamaan sitä vastaanottajan kykyä sekä pajastaa että korjata bittivirhe kutsutaan etupään virheenkorjaukseksi (forward error correction, FEC) 20

21 Kuva 6 Kaksiulotteinen pariteetintarkastus 21

22 2.2 Tarkistussummamenetelmät olkoon viestin m binääriesityksessä d bittiä jaetaan binääriesitys k:n pituisiin osasanoihin kutakin osasanaa kohdellaan k-bittisenä kokonaislukuna lasketaan kaikki k-bittiset kokonaisluvut yhteen; ylivuoto edessä kiertää luvun loppuun tuloksena saatu luku on tarkistussumma Internet-tarkistussumma perustuu yo. menetelmään lähettäjä jakaa viestin kahden tavun (16 bitin) sanoihin, joita kohdellaan 16-bittisinä lukuina; luvut lasketaan yhteen; ylivuoto edessä kiertää luvun loppuun; otetaan tuloksesta bittikohtainen komplementti ja liitetään se alkuperäisen viestin perään 22

23 Tarkistussummamenetelmät (2) vastaanottaja jakaa viestin (ei tarkistussummaosiota) kahden tavun sanoihin, joita kohtelee 16-bittisinä lukuina; luvut lasketaan yhteen; ylivuoto edessä kiertää luvun loppuun; vastaaottaja laskee saamansa luvun yhteen viestin lopussa olevan tarkistussumman kanssa; jos tuloksena pelkkiä ykkösiä, tehdään johtopäätös, ettei virheitä ole tapahtunt tarkistussummaus vaatii vain vähän resursseja ja sitä käytetään pääasiassatcp- ja UDP-protokollissa kuljetuskerroksessa 23

24 2.3 Syklinen redundanssintarkastus yhteyskerroksessa käytetään usein syklistä redundanssitarkistuskoodia (Cyclic Redundancy Check Code, CRC-koodi), joka on edellisiä tehokkaampi virheenpaljastus- ja -korjausmenetelmä lähettäjä ja vastaanottaja sopivat posittivisesta kokonaisluvusta r ; ja r +1 bitin jonosta g, jonka 1. bitti on ykkönen g on generaattori 24

25 CRC-laskennan operaatiot yhteenlasku <+> tapahtuu bittikohtaisesti sääntöjä 0<+>0=0, 0<+>1=1<+>0=1, 1<+>1=0 (XOR-operaatio) vähennyslasku <-> on sama operaatio kuin yhteenlasku; selvästi 0 on 0:n ja 1 on 1:n vasta-alkio yhteenlaskun suhteen; tällöin 1=-1 ja 0=-0 ja saadaan 0<->0=0, 0<->1=1<->0=1, 1<->1=0 kertolasku < >tapahtuu kuten binaarijärjestelmässä allekkain; kuitenkin yhteenlaskettaessa käytetään em. bittikohtaista yhteenlaskua eli muistiin ei laiteta lukuja lainkaan jakolasku </> tapahtuu kuten binaarijärjestelmässä jakokulmassa; kuitenkaan vähennettäessä ei lainata 25

26 CRC-koodin toiminta oletetaan, että lähettäjä haluaa toimittaa vastaanottajalle d bitin jonon D tällöin lähettäjä valitsee sellaisen r bitin jonon R, että kun DR tulkitaan binaariluvuksi, se on tasan jaollinen binaariluvulla g jakaminen tapahtuu siten kuin aikaisemmin määritettiin d bittiä r bittiä D R bittijono (D< > 2 r )<+> R matemaattinen kaava 26

27 CRC-koodin toiminta (2) lähettäjä toimittaa bittijonon DR vastaanottajalle vastaanottaja tulkitsee vastaanottamansa bittijonon D R binaariluvuksi ja jakaa sen binariluvulla g ; mikäli jako ei mene tasan, vastaanottaja tietää, että virhe on tapahtunut; jos jako menee tasan, bittijono hyväksytään virheettömänä 27

28 Termin R valinta haluttiin, että (D< > 2 r )<+> R = n< >g jollakin posittivisella kokonaisluvulla n edell. yhtälöstä saadaan D< > 2 r = (n< >g )<+> R selvästi R tulee valita luvuksi, joka jää jakojäännökseksi, kun D< > 2 r jaetaan luvulla g 28

29 3. Monipääsylinkit ja protokollat 3.1 Johdanto 3.2 Kanavanositusprotokollat 3.3 Satunnaispääsyprotokollat 3.4 Vuorotteluprotokollat 3.5 DOCSIS: kaapeliyhteysverkkojen siirtoyhteysprotokolla 29

30 3. 1. Johdanto kahdenlaisia verkkolinkkejä pisteestä pisteeseen linkki (point-to-point link): yksi lähettäjä, yksi vastaanottaja radiolinkkejä (broadcast link): useita lähettäjiä, useita vastaanottajia; kun solmu lähettää kehyksen, jokainen linkkiin kiinnittynyt solmu saa sen paikallisverkot (Ethernet, langaton LAN) käyttävät tavallisesti radiokanavamallia radiokanavassa monipääsyongelma (multiple access problem): kuinka koordinoida usean lähettävän ja vastaanottavan solmun pääsyä yhteiseen radiolinkkiin 30

31 Johdanto (2) monipääsyprotokollat suunniteltu ratkaisemaan monipääsyongelma käytännössä sadat, jopa tuhannet solmut kommunikoivat yli radiokanavan usea solmu voi lähettää kehyksiä yhtä aikaa; vastaanottajat saavat useita kehyksiä samanaikaisesti, kehykset törmäävät (collide) kaikilla vastaanottajilla törmänneet kehykset menetetään, radiokanavan käyttö törmäyksen aikana on tehotonta radiokanavamalli on ollut aktiivisen tutkimuksen kohteena viimeiset kolmekymmentä vuotta 31

32 Kuva 7 Erilaisia monipääsykanavia 32

33 Johdanto (3) Radiokanavan (välitysaste R bps) monipääsyprotokollan ideaalisia ominaisuuksia jos vain yksi solmu lähettää dataa, läpimenoaste on R bps jos n solmua lähettää dataa, kunkin solmun läpimenoaste on keskimäärin R / n bps; läpimenoasteen ei tarvitse olla sama koko ajan protololla on hajautettu; ei ole isäntäsolmua, jonka romahtaminen aiheuttaisi koko järjestelmän toimintakyvyttömyyden protokolla on yksinkertainen ja siten halpa implememtoida 33

34 Monipääsyprotokollat Monipääsyprotokollia on kolmea tyyppiä kanavanjakoprotokollat satunnaispääsyprotokollat vuorotteluprotokollat 34

35 3.2 Kanavanositusprotokollat aikajaksoinen kanavointi TDM (Time-Division Multiplexing) taajuusjaksoinen kanavointi FDM (Frequency-Division Multiplexing) koodijaksoinen monipääsy CDMA (Code Division Multiple Access) 35

36 Kuva 8 Nelisolmuinen FDM - ja TDM esimerkki 36

37 3.3 Satunnaispääsyprotokollat Lähettävä solmu välittää kehyksiä täydellä kanavakapasiteetilla; törmäyksen sattuessa kaikki mukanaolleet lähettävät kehyksensä uudelleen satunnaisella viiveellä Slotted Aloha Aloha CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA / CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) 37

38 Kuva 9 Slotted Aloha 38

39 Kuva 10 CSMA 39

40 Kuva 11 CSMA / CD 40

41 3.4 Vuorotteluprotokollat Muistetaan radiokanavan ideaalinen ominaisuus: jos vain yksi solmu aktiivinen, se käyttää koko kanavakapasiteettia (R bps); kun n solmua aktiivisia, kukin käyttää 1/n osaa kanavakapasiteetista (R/n bps) Vuorotteluprotokollia on kahta tyyppiä kiertokyselyprotokolla (polling protocol) edellyttää johtajasolmun (master node) olemassaoloa johtajasolmu antaa vuorotellen kullekin solmulle oikeuden välittää dataa valtuuden välitys protokolla (token-passing protocol) ei johtajasolmua 41

42 Vuorotteluprotokollat (2) valtuuden välitys protokolla (jatkuu...) pieni erikoinen kehys, valtuus, kiertää solmujen keskuudessa: vain valtuutta hallussa pitävä solmu voi käyttää kanavaa; jos välitettävää ei ole, valtuus lähetetään edelleen; jos taas solmulla on lähetettäviä kehyksiä, se voi niitä toimittaa linkkiin annetun maksimimäärän verran 42

43 3.5 DOCSIS: kaapeliyhteysverkkojen siirtoyhteysprotokolla kolmentyyppisiä monipääsyprotokollia: kanavanositus, satunnaispääsy ja vuorotteluprotokollat kaapeliyhteysverkko yhdistää jopa tuhansia kotiverkkojen kaapelimodeemeja päätejärjestelmään (Cable Modem Termination System, CMTS) DOCSIS (Data-Over-Cable-Service-Interface SpecificationsI määrittää kaapeliyhteysverkon arkkitehtuurin ja protokollat DOCSIS käyttää taajuusjaksoista kanavointia (FDM) alavirtaan (CMTS kaapelimodeemit) 43

44 DOCSIS- monipääsy DOCSIS käyttää (jatkuu... ) aikajaksoista kanavointia (TDM) ylävirtaan (kaapelimodeemit CMTS) satunnaispääsymenetelmää, kun kaapelimodeemi pyytää lähetyslupaa 44

45 Kuva 12 Kaapeliyhteys Internetiin CMTS Cable Modem Termination System 45

46 Kuva 13 Alavirta- ja ylävirtakanavat CMTS:n ja kaapelimodeemien välillä 46

47 4. Kytkimillä varustetut paikallisverkot 4.1 Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus ja ARP 4.2 Ethernet 4.3 Siirtoyhteyskerroksen kytkimet 4.4 Virtuaaliset paikallisverkot 47

48 Kytkimillä varustetut paikallisverkot paikallisverkon kytkimet toimivat siirtoyhteyskerroksessa; käsittelevät linkkikerroksen kehyksiä; eivät tunnista verkkokerroksen osoitteita; eivät käytä reititysalgoritmeja (RIP, OSPF) polunmääritykseen kytkinten muodostamassa verkossa kytkimet ohjaavat kehyksiä linkkikerroksen osoitteita käyttäen kytkinten muodostamassa verkossa 48

49 Kuva 15 Kolmen instituution tietoverkko: neljä kytkintä 49

50 4.1 Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus ja ARP isäntäkoneissa ja reitittimissä on linkkikerroksen osoitteita (kuten myös verkkokerroksen osoitteita) Address Resolution Protocol (ARP) kuvaa IP osoitteet linkkikerroksen osoitteiksi isäntäkoneen ja reitittimen jokaisella verkkokortilla (rajapinnalla verkkoon) on linkkikerroksen osoite linkkikerroksen kytkimet toimivat näkymättömästi kytkimillä ei ole linkkikerroksen osoitteita isäntäkoneiden ja reitittimien ei tarvitse merkitä välittävää kytkintä paketin vastaanottajaksi linkkikerroksen osoite = LAN osoite = fyysinen osoite = MAC osoite (MAC Media Access Control) 50

51 Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus MAC osoite tavallisesti kuusi tavua (48 bittiä); se ilmaistaa heksadesimaalilukuna (16-järjestelmässä), jokainen tavu kahdella symbolilla (0,1,2,...,9,A,B,...,F) MAC osoite on tarkoitettu pysyväksi: nykyään se kuitenkin voidaan ohjelmistoteknisin keinoin vaihtaa jokaisella maailman verkkokortilla eri MAC osoite; IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) hoitaa MAC osoitteiden jakelun MAC osoite ei ole hierarkinen (vrt. IP-osoite) 2 48 = (2 10 ) = = 256 teraa, MAC osoitteita on riittävästi 51

52 Kuva 16 Jokaisella verkkokortilla on oma yksikäsitteinen ja muuttumaton MAC-osoite 52

53 Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus (2) MAC osoite verrattavissa henkilötunnukseen, IP-osoite tavanomaiseen postiosoitteeseen kun verkkokortti haluaa lähettää kehyksen jollekin kohdeverkkokortille, se varustaa kehyksen kohteen MAC osoitteella ja lähettää sen paikallisverkkoon (Local Area Network, LAN) paikallisverkon kytkin voi lähettää kehyksen kaikkiin rajapintoihinsa; siispä verkkokortti voi saada kehyksen, joka ei ole osoitettu ko verkkokortille kun verkkokortti vastaanottaa kehyksen, se tarkistaa, kehyksen kohteen MAC-osoitteen 53

54 Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus (3) mikäli kehyksen kohteen MAC-osoite on sama kuin verkkokortin MAC-osoite, verkkokortti poimii kehyksestä IP-paketin ja toimittaa sen protokollapinossa ylöspäin ei ole sama kuin verkkokortin MAC-osoitteesta, kehys hylätään verkkokortti ei siis häiritse isäntäkonetta tälle kulumattomilla kehyksillä jos lähdesolmu haluaa, että jokainen paikallisverkon solmu vastaanottaa ja käsittelee tietyn kehyksen, se merkitsee kehyksen kohdeosoitekenttään MAC radiolähetysosoitteen (MAC broadcast address) MAC radiolähetysosoite on FF FF FF FF FF FF eli kaikki osoitteen 48 bittiä ovat ykkösiä 54

55 ARP protokolla Address Resolution Protocol (ARP, RFC 826) ARP muuttaa IP-osoitteet LAN-osoitteiksi jokaisessa Internetin reitittimessä ja isäntäkoneessa on ARP-moduli jos isäntäkone A haluaa lähettää IP-paketin isäntäkoneelle B samassa paikallisverkossa, se toimittaa verkkokortilleen sekä IP- paketin että B:n MAC-osoitteen A:n verkkokortti sulkee IP-paketin yhteyskerroksen kehykseeen, varustaa kehyksen B:n MAC-osoitteella ja välittää kehyksen paikallisverkkoon A:n ARP-moduli määrittää B:n MAC-osoitteen B:n IPosoitteen perusteella; B:n IP osoitteen A on hankkinut esim. DNS protokollaa käyttäen) 55

56 Kuva 17 Jokaisella paikallisverkon rajapinnalla sekä IP-osoite että MAC-osoite 56

57 ARP protokolla (2) ARP protokolla toimittaa vain saman paikallisverkon MAC osoitteita ARP-modulin RAM-muistissa on ARP-taulu, joka kuvaa IP-osoitteet MAC-osoitteiksi ARP-taulu sisältää myös elinaika-parametrin (TTL Time- To-Live), joka kertoo milloin tietoyksikkö hävitetään ARPtaulusta ARP-taulu ei välttämättä sisällä kaikkien paikallisverkon solmujen MAC-osoitteita mikäli A:n ARP-taulu ei sisällä B:n IP-osoitetta 1. lähdesolmu konstruoi ARP-paketin, joka joka sisältää B:n IPosoitteen 57

58 ARP protokolla (3) 2. ARP-paketti kiedotaan MAC-radiolähetysosoitteella varustettuun kehykseen ja toimitetaan paikallisverkkoon 3. solmu B (jonka IP-osoite on sama kuin ARP-paketissa), lähettää puolestaan A:lle ARP-paketin, johon sisällyttää oman LANosoitteensa; ARP-paketti kiedotaan kehykseen, jonka kohsdeosoitteeksi tulee A:n MAC-osoite Huom. 1) ARP-tiedustelu lähetetään MAC-radiolähetysosoitteella, ARP-vastaus tavanomaisella MAC-osoitteella 2) ARP toimii plug-and-play periaatteella, ARP-taulu päivitetään automaattisesti; jos solmu poistuu LANista, sen tiedot ajan mittaan katoavat ARP-tauluista 58

59 Kuva 18 Isäntäkoneen ARP - taulu 59

60 ARP protokolla (4) laitteen jokaisella rajapinnalla Internetiin on oma IPosoite, verkokortti (sekä MAC-osoite) ja ARP-moduli jos LAN-solmu A lähettää IP-paketin kohteeseen B paikallisverkon ulkopuolelle, paketti suljetaan kehykseen, jonka kohdeosoite on solmun oletusreitittimen MACosoite; B:n IP osoitteesta A tietää, että B ei sijaitse samassa paikallisverkossa kuin A lähdesolmu saa oletusreitittimen MAC-osoitteen ARPprotokollaa käyttäen MAC-osoite muutetaan IP-osoitteeksi RARPprotokollalla (Reverse Address Resolution Protocol) 60

61 Kuva 19 Reititin yhdistää kaksi paikallisverkkoa 61

62 4.2 Ethernet markkinajohtaja verkkoteknologioissa, alku 1970 luvulla ensimm. laajasti käytetty ja nopea LAN; Internet globaali verkkotoiminta, Ethernet paikallisverkkotoiminta rakenteeltaan yksinkertainen, hinnaltaan edullinen ja kehittyi joustavasti muut teknologiat (token ring, FDDI, ATM, jne) kalliimpia ja monimutkaisempia monipääsyprotokolla CSMA/CD (hajautettu, yksinkertaistaa rakennetta) alkuperäisen Ethernet version kehittäjät Bob Metcalfe ja David Boggs 1970 luvun puolivälissä 62

63 Kuva 20 Metcalfen suunnitelma Ethernet - standardiksi 63

64 Ethernet perusteita Ethernet LAN: väylä- tai tähtitopologia; jälkimmäisen keskuksena keskitin (hub) 1990-luvulla tai kytkin (switch) 2000-luvulla joustava fyysinen media: koaksiaalikaapeli, kierretty kupariparikaapeli tai optinen kuitukaapeli useita datansiirtonopeuksia: 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps tai 10 Gbps Ethernet-teknologioden yhteisiä piirteitä: LAN-kehyksen rakenne, palvelutyyppi, datanvälitysmenetelmä ja koodaustekniikka 64

65 Ethernetin kehysrakenne Ethernetin kehyksessä kuusi kenttää datakenttä (Data Field, tavua) sisältää usein IP paketin datakenttä liian pitkä IP paketti sirpaloidaan alle 1500 tavuiseksi datakenttä liian lyhyt kehys täytetään 46 tavuiseksi kohdeosoite (Destination Address, 6 tavua) kohteen (verkkokortin) LAN osoite lähdeosoite (Source Address, 6 tavua) lähteen (verkkokortin) LAN osoite tyyppikenttä (Type Field, 2 tavua) kanavointi verkkokerroksen protokollille eri protokollilla (IP, Novell IPX, AppleTalk, ARP) eri tunnisteet 65

66 Ethernetin kehysrakenne (2) Ethernetin kehyksessä kuusi kenttää (jatkuu) syklinen redundanssintarkastus (Cyclic Redundancy Check) virheentarkastus; vastaanottajan verkkokortti kykenee tarkistamaan onko kehykseen tullut virheitä siirron aikana virheitä aiheutuu esim. signaalin vaimenemisesta ja elektromagneettisesta energiasta johdanto (preamble) 8 tavua kehys alkaa 8 tavun johdannolla ensimmäiset seitsmän tavua (herättävät kohteen verkkokortin, kellot synkronoidaan), kahdeksas tavu (kertoo, että tärkeää tietoa alkaa tulla) vastaanottaa verkkokortti tietää, että kehys on päättynyt, kun linkissä ei enää ole jännitettä 66

67 Kuva 21 Ethernet kehyksen rakenne 67

68 Epäluotettava yhteydetön palvelu yhteydetön palvelu (verkkokerrokselle): lähdesolmun verkkokortti ei suorita kädenpuristusta kohdesolmun verkkokortin kanssa epäluotettava palvelu (verkkokerrokselle): kun kohteen verkkokortti saa lähteen lähettämän kehyksen, se laskee kehyksen CRC:n, mutta ei lähetä kuittausta eikä virheilmoitusta lähdesolmulle mikäli kuljetusprotokolla on TCP, kuljetuskerros lähettää hylätyt segmentit uudelleen, Ethernet ei sitä (tietoisesti) tee 68

69 Peruskaistavälitys ja Manchester-koodaus Ethernet käyttää peruskaistavälitystä (baseband transmission); verkkokortti lähettää digitaalisen signaalin suoraan (radio)kanavaan muuttamatta sen taajuutta useat Ethernet - teknolgiat käyttävät Manchesterkoodausta (Manchester encoding); lähteen ja kohteen kellot eivät täysin synkronissa 1. vaihtoehto: ykkösbitti koodautuu siirrolla ylhäältä alas (nollajänitteestä negatiiviseen), nollabitti siirrolla alhaalta ylös (negatiivisesta jännitteestä nollaan) 2. vaihtoehto: ykkösbitti koodautuu siirrolla alhaalta ylös (nollajännitteestä positiiviseen), nollabitti siirrolla ylhäältä alas (positiivisesta jännitteestä nollaan) 69

70 Kuva 22 Manchester koodaus (1. vaihtoehto) 70

71 Ethernet teknologiat 10Base2: väylätopologia, koaksiaalikaapeli, lähetysnopeus 10 Mbps 10BaseT: tähtitopologia, kierretty kupariparikaapeli, lähetysnopeus 10 Mbps (suosituin vuonna 2004) 100BaseT: tähtitopologia, kierretty kupariparikaapeli, lähetysnopeus 100 Mbps (etäisyys hubiin max 100 m) Gigabit Ethernet: tähtitopologia, kierretty kupariparikaapeli ja optinen kuitukaapeli, lähetysnopeus 1Gbps 10 Gigabit Ethernet: tähtitopologia, kierretty kupariparikaapeli ja optinen kuitukaapeli, lähetysnopeus 10 Gbps Ethernet-teknologiat IEEE työryhmän standardeja (Ethernet LAN = LAN) 2013/

72 Kuva 23 10Base2 Ethernet 2013/

73 Kuva 24 Tähtitopologia (10BaseT js 100BaseT) 2013/

74 Verkkolaitteita vahvistin (repeater), keskitin l. hubi (hub), silta (bridge), kytkin (switch), reititin (router) Vahvistin on fyysisessä kerroksessa toimiva laite, jolla on kaksi tai useampia rajapintoja verkkoon; se toistaa dataa ja vahvistaa kantoaaltoa. Keskitin on vahvistin, jolla on joitakin verkonhallintaan liittyviä toimintoja; kykenee esim. eristämään huonosti toimivan adapterin; toimii bitti ei kehystasolla Silta on siirtoyhteyskerroksen laite, se eteenpäinohjaa ja suodattaa kehyksiä LAN-osoitteen perusteella siltataulua käyttäen. Sillä on kaksi tai useampia rajapintoja verkkoon ja se kykenee yhdistämään eri teknologioita käyttäviä verkon osia. Sillat ovat plug-and-play laitteita, ne mahdollistavat eri kokoa olevat paikallisverkkojen rakentamisen. 2013/

75 Verkkolaitteita (2) Kytkin on sillan kehittynyt versio; siinä on enemmän rajapintoja (jopa kymmeniä), se on tavallisesti siltaa tehokkaampi ja kykenee kaksisuuntaiseen (full-duplex) välitykseen. Kytkin tukee erilaisia verkkotekniikoita ja välitysnopeuksia, sillä on myös verkonhallintaan liittyviä toimintoja. Kytkin kykenee aloittamaan paketin ohjauksen ulosmenopuskuriin ennenkuin koko paketti on saapunut sisääntulopuskuriin. Se kykenee myös itseoppimiseen eli automaattisesti päivittämään kytkintauluaan. 2013/

76 Kuva 25 Kolme Ethernet-verkkoa ja keskitin 2013/

77 Kuva 26 Kolme Ethernet-verkkoa ja silta 2013/

78 Kuva 28 Ethernet kytkin 2013/

79 4.3 Siirtoyhteyskerroksen kytkimet siirtoyhteyskerroksen kytkin vastaanottaa (siirtoyhteyskerroksen) kehyksiä ja ohjaa niitä eteenpäin sopiviin rajapintoihin (ulosmenolinkkeihin) on isäntäkoneille ja reitittimille näkymätön (ei siis omista MACeikä taatusti IP-osoitetta) puskuroi tarvittaessa kehyksiä ulosmenolinkeillä suodattaminen on kytkimen toiminto, joka määrittää ohjataanko kehys johonkin rajapintaan vai hylätäänkö se eteenpäinohjaus on kytkimen toiminto, joka määrittää sen rajapinnan, johon kehys ohjataan suodattaminen ja eteenpäinohjaus suoritetaan kytkentätaulun avulla 79

80 Kuva 27 Osa kytkentätaulusta 2013/

81 Siirtoyhteyskerroksen kytkimet (2) kytkentätaulu sisältää tietueen joistakin paikallisverkon isäntäkoneista ja reitittimistä (ei välttämättä kaikista) kytkentätaulun tietue sisältää MAC-osoitteen (paikallisverkon isäntäkone tai reititin) kytkinrajapinnan, joka johtaa kohti em. MAC-osoittetta ajankohdan, jolloin tietue sijoitettiin kytkentätauluun kytkimet eteenpäiohjaavat kehyksiä MAC-osoitteeseen perustuen kytkentätaulut konstruoidaan eri tavalla kuin reititystaulut 81

82 Suodatus ja eteenpäinohjaus Kehys, jonka kohdeosoite on DD-DD-DD-DD-DD-DD saapuu kytkimen rajapintaan x. Kytkin etsii yo MAC-osoitetteen sisältävää tietuetta kytkentätaulustaan. Tällöin on kolme vaihtoehtoa. Osoite DD-DD-DD-DD-DD-DD ei esiinny kytkentätaulussa; tällöin kehys ohjataan jokaiselle kytkimen rajapinnalle paitsi x:lle. löytyy kytkentätaulusta ja vastaava kytkinrajapinta on x; tällöin kytkin hylkää kehyksen. löytyy kytkentätaulusta ja vastaava kytkinrajapinta on y, jolle x y ; kytkin ohjaa kehyksen eteenpäin rajapintaan y. 82

83 Itseoppiminen kytkimet ovat itseoppivia, kytkentätaulut rakentuvat automaattisesti, dynaamisesti ja itsenäisesti itseoppminen tapahtuu seuraavasti 1. Kytkentätaulu on alunperin tyhjä. 2. Aina, kun kehys saapuu kytkimeen, kytkin tallentaa kytkentätauluunsa tietueen, jossa on (1) kehyksen lähdeosoitekentässä olevan MAC-osoite; (2) rajapinta, josta kehys saapui; ja (3) aika, jolloin kehys saapui kytkimeen. 3. Kytkin tuhoaa tietueen(macaddr, interf,time) kytkentätaulusta mikäli kytkimen rajapintaan interf ei tietyn ajan ( vanhenemisaika ) kuluessa saavu kehystä, jonka lähdeosoite on macaddr. 83

84 Kytkimen ominaisuuksia Kytkimet ovat plug-and-play laitteita, ne eivät vaadi verkon ylläpitäjän tai käyttäjän puuttumista toimintaansa. Kytkimen käytön etuja Törmäysten eliminointi. Kytkin puskuroi kehyksiä eikä koskaan lähetä linkkiin enempää kuin yhden kehyksen kerrallaan. Heterogeenisten linkkien käyttö. Kytkin eristää linkit toisistaan, jolloin paikallisverkon eri linkit voivat olla tekniikoiltaan erilaisia. Verkonhallinta. Kytkin kykenee 1. eriyttämään liikennettä ja parantaa sitä kautta toimintavarmuutta ja turvallisuutta; 2. suorittamaan tiettyjä verkon ylläpitoon liittyviä tehtäviä (huonosti toimivan verkkokortin tai kaapelin eristäminen); 3. tilastoimaan kaistanleveyden käyttöä, törmäyksiä ja liikennetyyppejä ja toimittamaan tilastot verkon ylläpitäjälle. 84

85 Kuva 29 Pakettien prosessointi kytkimissä, reitittimissä ja isäntäkoneissa 85

86 4.4 Virtuaaliset paikallisverkot organisaatioiden paikallisverkot usein suunniteltu hierarkisesti (vrt. Kuva 15) esiintyy kolmenlaisia puutteita: 1. liikennettä ei ole eristetty: radiolähetyskehykset kulkevat koko verkon läpi, jolloin toiminnan tehokkuus ja turvallisuus kärsii 2. kytkinten käyttö ei ole tehokasta: mikäli organisaatio muodostuisi esim. kymmenestä laitoksesta (vrt. Kuva 15), tarvittaisiin 15 alatason kytkintä 3. käyttäjien hallinta vajavaista: mikäli käyttäjä vaihtaa laitosta, on fyysinen kaapelointi uusittava; ongelma pahenee, jos sama henkilö edustaa kahta laitosta virtuaaliset paikallisverkot (Virtual Local Area Network, VLAN) ratkaisevat edellä esitetyt ongelmat 86

87 Virtuaaliset paikallisverkot (2) VLAN-tekniikka mahdollistaa useiden virtuaalisten paikallisverkkijen määrittämisen yhden fyysisen paikallisverkon infrastruktuutiin tietyn virtuaalisen paikallisverkon isäntäkoneet kommunikoivat keskenään ikäänkuin ainoastaan ne olisi liitetty kytkimeen portteihin perustuvassa VLAN:ssa verkon ylläpitäjä jakaa (fyysisen) kytkimen portit (rajapinnat) ryhmien kesken ryhmä muodostaa aina yhden VLANin, ryhmälle annetut portit yhden radiolähetysalueen (broadcast domain) 87

88 Kuva 30 Fyysinen kytkin, johon on konfiguroitu kaksi virtuaalista paikallisverkkoa 88

89 Kuvan 30 selitys Kuvassa 30 kytkin, jossa 16 porttia portit 2 8 kuuluvat EE VLANiin portit 9 15 kuuluvat CS VLANiin portit 1 ja 16 nimeämättömiä Kuvan VLAN-rakenne ratkaisee puutteet EE VLANin kehykset ja CS VLANin kehykset eristetty toisistaan kahden kytkimen sijasta yksi kytkin jos EE VLANin portin 8 käyttäjä liittyy CS VLANiin, verkon ylläpitäjä konfiguroi portin 8 kuuluvaksi CS VLANiin uusi ongelma: miten EE laitoksen liikennettä saadaan lähetetyksi CS laitokselle? 89

90 Kuvan 30 selitys (2) uuden ongelman ratkaisu: yhdistetään VLAN kytkimen jokin portti (esim. portti 1) ulkoiseen reitittimeen ja asetetaan ko portti kuulumaan sekä EE VLANiin että CS VLANiin; tällöin yksi fyysinen kytkin edustaa loogisessa rakenteessa kahta erillistä kytkintä, joita yhdistää reititin datagrammi, joka lähetetään CS laitokselta EE laitokselle kulkee ensin CS VLANin poikki reitittimeen ja sitten EE VLANin poikki vastaanottajalle nykyisissä VLAN kytkimissä on usein sisäänrakennettu reititin 90

91 Kuvan 31 selitys Kuvan 31 taustaa: kaksi laitosta (EE ja CS) on sijoitettu kahteen eri rakennuksiin siten, että kummassakin rakennuksessa on osia molemmista laitoksista kumpikin laitose haluaaa kuulua omaan VLANiinsa Kuvan 31 kahdesta fyysisestä kytkimestä toinen sijaitsee toisessa ja toinen toisessa rakennuksessa kytkinten portit on konfiguroitu joko EE VLANiin tai CS VLANiin kuuluviksi kytkinten yhdistäminen; vaihtoehto 1 yhdistetään kummastakin kytkimestä yksi CS VLAN portti (vast. EE VLAN portti) toisiinsa (Kuva 31 a.) ei skaalautuva 91

92 Kuvan 31 selitys (2) kytkinten yhdistäminen; vaihtoehto 2 käytetään VLAN johdotusta (VLAN trunking, Kuva 31 b.) tietty portti kummassakin kytkimessä (portti 16 ja portti 1) konfiguroidaan johdotusportiksi ja yhdistetään toisiinsa johdotuslinkkiä käyttäen johdotusportti kuuluu kaikkiin kytkimen VLANeihin ja jokaisen VLANin kehykset ohjataan toiseen kytkimeen johdotusportin ja linkin kautta eri VLANien kehykset (eli eri virtuaalisten paikallisverkkojen liikenne ) pidetään erillään VLAN kehysten ja VLAN tagien avulla (Kuva 32) skaalautuva järjestelmä 92

93 Kuva 31 Kahden VLAN kytkimen yhdistäminen kahteen VLANiin: a. kaksi kapelia b. VLAN-johdotus E E EE CS 93

94 Kuva 32 Ethernet kehys ja Ethernet VLAN kehys, jossa 802.1Q tagi Ethernet - kehys Ethernet VLAN - kehys 94

95 5. Linkin virtualisointi: verkkokerros yhteyskerroksena 5.1 MPLS (Multiprotocol Label Switching, leimakytkentä) 95

96 Taustaa käsitys linkistä muuttunut johdosta abstraktimmaksi kanavaksi paikallisverkko voi olla mutkikas kytkentäinfrastruktuuri (Kuva 15) puhelinmodeemiyhteydessä kahta isäntäkonetta yhdistävä linkki on kokoainen puhelinverkko, loogisesti erillinen, maailmanlaajuinen verkko omine kytkimineen, linkkeineen ja datansiirron protokollapinoineen Internet virtualisoi puhelinverkon, peiteverkot (sovelluskerroksessa) virtualisoivat Internetin MPLS on pakettikytkentäinen virtuaalipiiriverkko 96

97 Taustaa (2) MPLS:ssä oma pakettiformaatti ja säännöstö eteenpäinohjaukselle MPLS teknologia voidaan käsitellä joko verkko tai siirtoyhteyskerroksessa Internet näkökulmasta MPLS yhdistää IP laitteita ja on siirtoyhteyskerroksen teknologia 97

98 5.1 MPLS (Multiprotocol Label Switching, leimakytkentä) kehitettiin 1990 luvulla teollisuuden aloitteesta parantamaan IP reitittimien eteenpäinohjausnopeutta tarkoitus ei ollut hylätä perinteistä reititystä, vaan nopeuttaa sitä leimaamalla tietyt datagrammit ja sallimalla tiettyjen reitittimien eteenpäinohjata datagrammeja kiinteänpituisten leimojen (eikä välttämättä kohteiden IP osoitteiden) perusteella 98

99 Kuva 33 MPLS otsikko sijaitsee MAC osoitteen ja IP - osoitteen välissä 99

100 Leimakytkentä ainoastaan MPLS kykenevät reitittimet pystyvät käsittelemään MPLS kehyksiä MPLS kykenevä reititin = leimakytkentäreititn leimakytkentäreititin ohjaa MPLS kehyksen leiman perusteella kytkentätaulun osoittamaan rajapintaan ei pura kehyksestä lainkaan kohteen IP - osoitetta Kuvassa 34 reitittimet R1, R2, R3 ja R4 ovat MPLS kykeneviä ja R5 sekä R6 tavanomaisia reitittimiä MPLS mahdollistaa polut, joita ei saada perinteisellä reitityksellä sopii virtuaalisiin yksityisverkkoihin 100

101 Kuva 34 MPLS tehostettu eteenpäinohjaus 101

102 6. Datakeskusten verkkotoiminta Internet-yritykset (mm. Google, Microsoft, Facebook ja Amazon) rakentaneet datakeskuksia, joissa jopa satojatuhansia isäntäkoneita, jotka tukevat pilvipalveluja (mm. haku, sähköposti, sos. media, sähk. kaupankäynti) datakeskuksilla omat datakeskusverkot, jotka yhdistävät datakeskuksen isäntäkoneet toisiinsa datakeskuksen Internetiin dartakeskuksen isäntäkoneet ( blade ) jakavat sisältöjä (web-sivuja, videoita) tallentavat sähköpostia ja dokumentteja suorittavat keskenään massiivista hajautettua laskentaa 102

103 Datakeskuksen verkkotoiminta (2) isäntäkoneet ovat muodoltaan kuin pizzalaatikkoja sisältävät keskusyksikön, muistin ja levytilaa on pinottu konettaa käsittäviksi telineiksi, räkeiksi kunkin räkin huipulla on on TOR-kytkin (Top Of Rack Switch, räkkikytkin), joka yhdistää isänntäkoneet toisiinsa ja muiden kytkinten kautta datakeskukseen kullakin isäntäkoneella on verkkokortti, joka yhdistää sen TOR-kytkimeen; ja datakeskuksen sisäinen IP-osoite jokainen TOR-kytkin on yhteydessä muihin kytkimiin 103

104 Kuva 35 Datakeskusverkko, jossa hierarkinen topologia 104

105 Kuormituksen tasaaminen datakeskukset tukevat useita rinnakkaisia palveluja: haku, sähköposti, videosovellukset, sosiaalinen media, kaupankäynti jokaiseen palveluun on liitetty julkinen IP-osoite, johon asiakkaat voivat lähettää pyyntönsä ja josta pyyntöihin vastataan datakeskusverkon sisällä pyynnöt ohjataan aluksi kuormantasaajalle, joka jakaa pyynnöt räkkien isäntäkoneille suuressa datakeskuksessa voi olla useita kuormantasaajia, joista kukin on omistettu tietylle joukolle pilvipalveluja 105

106 Kuormituksen tasaaminen (2) kuormantasaaja ohjaa asiakkaalta saamansa pyynnön sopivalle isäntäkoneelle kun isäntäkone on käsitellyt pyynnön, se lähettää vastauksensa kuormantasajalle, joka välittää sen asiakkaalle kuormantasaajalla on NAT-tyyppinen toiminto; se muuntaa julkisen ulkoisen IP-osoitteen isäntäkoneen sisäiseksi IP-osoitteeksi ja ohjaa vastauspasketit asiakkaalle ja estää täten asiakasta ottamasta suoraa yhteyttä datakeskusverkon isäntäkoneisiin, jolloin se kätkee datakeskuksen sisäverkon rakenteen ulkomaailmalta ja lisää siis tietoturvaa 106

107 Hierarkinen arkkitehtuuri mikäli datakeskusverkossa on satojatuhansia isäntäkoneita, se tarvitsee reititinten ja kytkinten hierarkian (kts Kuva 35) huipulla reunareititin (border router) yhdistyy pääsyreitittimiin (access router) kunkin pääsyreitittimen alla on kolme tasoa kytkimiä jokainen ylimmän tason kytkin yhdistyy useaan toien tason kytkimeen ja kuormantasaajaan jokainenn toisen tason kytkin yhdistyy useaan räkkiin näiden TOR-kytkinten (alimman tason) kytkinten kautta tavallisesti linkit käytävät Ethernetiä protokollanaan 107

108 Hierarkinen arkkitehtuuri (2) koska pilsipalveluilla tulee olla eerinomainen saatavuus, datakeskuverkoilla on laitteissaan ja linkeissään redundanssia vaikka hierarkinen rakenne ratkaisee skaalautuvuuteen liittyvän ongelman, se kärsii usein rajoittuneesta isännältä-isännälle kapaiteetista eri räkeissä olevien isäntäkoneiden välinen kommunikointi voi olla liian hidasta 108

109 Datakeskusverkkotoiminnan trendejä otetaan käyttöön sellaisiaxuusia yhteysarkkitehtuureja ja verkkoprotokollia, jotka ratkaisevat perinteisten hierarkisten rakenteiden heikkoudet, esim. täysin yhdistetty topologia (Kuva 36) käytetään kontteihin perustuvia modulaarisia datakeskuksia (container-based modular data center, MDC) modulaarisessa datakeskuksessa kahdenlaisia verkkoja: modulin sisäinen verkko ja modulien välinen verkko MDC: haaste: modulien välinen kommunikointi 109

110 Datakeskusverkkotoiminnan trendejä (2) vahvasti yhtenäisissä topologioissa tarvitaan uusia reititysratkaisuja: satunnaisreititys voidaan myös käyttää isäntäkoneissa monirajappintaisia verkkokortteja; isäntäkoneet voivt tällöin suorittaa kytkinten välistä reititystä 110

111 Kuva 36 Datakeskusverkko, jossa vahvasti yhtenäinen verkkotopologia 111

112 7. Katsaus menneisyyteen: web sivujen haku 7.1 Aloitus vaihe 1: DHCP, UDP, IP ja Ethernet 7.2 Aloitus vaihe 2: DNS ja ARP 7.3 Aloitus vaihe 3: Intra-AS reititys DNS-palvelimelle 7.4 Webin asiakas-palvelin kommunikointi 112

113 Kuva 37 Web-sivupyyntö: verkon tilanne ja toiminnot 113