ELEC-C7241 Tietokoneverkot Linkkikerros

Transkriptio

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

2 Seuraavat askeleet kurssilla 5-kierroksen määräaika vasta viikon kuluttua (ke 28.2.) Tällä viikolla ei siis laskareita Ti luento koskien ohjelmointiasioita Ensimmäiset ohjelmointitehtävät aukeavat silloin Ti 6.3. viimeinen luento koskien standardointia ja datakeskuksia Ohjelmointitehtävät auki IV-periodin loppuun 2. välikoe ti

3 Linkkikerros -- Agenda Perusteita Monipääsyprotokollat (Multi Access Protocols) Osoitteet linkkikerroksella Kytkimet Langattomat linkit: WiFi 3

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 - (joskus) Virheenkorjaus 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 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) 7

8 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 8

9 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

10 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 10

11 Vuorottelu -protokollat T token passing: token (poletti) välitetään laitteelta seuraavalle token viesti ongelmia: - token overhead - viive - single point of failure (token) (ei lähetettävää) T data 11

12 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 12

13 Random Access: Törmäykset 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 13

14 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! 14

15 CSMA: törmäykset t 0 : B aloittaa lähetyksen t 1 : D aloittaa lähetyksen 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 B huomaa törmäyksen D huomaa törmäyksen 15

16 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) Jos törmäys: odota hetki, yritä uudestaan 16

17 Tauko Millainen linkkiprotokolla jaetulle kanavalle? Miksi? Kampuksen mikroverkko jossa paljon liikennettä Kotiverkko, jossa melko vähän liikennettä Digitaalinen puhelinverkko (esim. 3G) 17

18 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

19 MAC-osoite MAC-osoitteiden allokaatiota hallinnoi IEEE Yrityksen tunniste + yrityksen allokoima osa Asentuu tehtaalla, ei (pääsääntöisesti) muutu sen jälkeen 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 19

20 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

21 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 osoiteparin ARP-tauluunsa Pitää säännöllisesti virkistää, muuten unohdetaan (soft state) 21

22 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) 22

23 Kytkin (Switch) Varastoi ja välittää Ethernet kehyksiä Välittää kehyksen eteenpäin yhteen tai useampaan linkkiin MAC osoitteen perusteella Läpinäkyvä Päätelaitteet eivät tiedä kytkinten olemassaoloa Plug-and-play, itseoppiva Kytkimen välitystaulua ei tarvitse manuaalisesti konfiguroida 23

24 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 C 6 5 A A B C B kytkin jossa kuusi porttia (1,2,3,4,5,6) 24

25 Kytkintaulu Miten kytkin tietää että A saavutettavissa liitännän 4, ja B saavutettavissa liitännän 5 kautta? C A B Jokaisella kytkimellä on kytkintaulu (Switch Table), jokainen rivi: <laitteen MAC osoite, liitäntä jonka kautta saavutetaan tietokone, aikaleima> B C A kytkin jossa kuusi porttia (1,2,3,4,5,6) 25

26 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) 26

27 Kytketty ja reititetty verkko ulkopuolinen verkko (Internet) reititin sähköpostipalvelin Web-palvelin IP-aliverkko 27

28 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

29 Langattomat verkot verkkoinfrastruktuuri infrastruktuuritila v v tukiasema yhdistää langattomat laitteet verkkoon handoff: mobiililaite vaihtaa tukiasemaa johon on yhteydessä Sama aliverkko vs. Eri IP-aliverkot?

30 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 30

31 kanavat: 2.4 GHz Karvalakki Wi-Fi (802.11g) käyttää 2.4GHz 14 kanavaa käytössä Taajuusalueet menevät päällekkäin Ruuhkainen taajuusalue Häiriölähteitä: mikroaaltouunit, vauvahälyttimet, autotallin avaajat 31

32 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 32

33 Hidden terminal B A A s signal strength B B s signal strength A A lähettää tukiasemalle B haluaisi lähettää myös Mikä on ongelma? A on piilossa space B ei kuule A:n lähetystä à kanava vapaa ja voidaan lähettää AP kuulee molemmat à tapahtuu törmäys 33

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

35 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 - Jos kuulee RTS:n muttei CTS:ä à voidaan lähettää Haitat 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 35

36 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 Jos kuulee RTS:n muttei CTS:ä à voidaan lähettää Haitat 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 36