Linkkikerros 1: perusteet

Transkriptio

1 Linkkikerros 1: perusteet CSE-C2400 Tietokoneverkot Sanna Suoranta Osa sisällöstä adaptoitu seuraavista lähteistä: J.F. Kurose and K.W. Ross: Computer Networking: A Top-Down Approach 6th ed. -kirjan lisämateriaali, Matti Siekkisen luennot 2014 tästä aiheesta

2 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 2

3 Tämän luennon jälkeen Ymmärrätte: Linkkikerroksen ja sen laitteiden tehtävät ja toiminnan Kytkin vs reititin Spanning Tree Protocol (STP) Linkkikerroksen osoitteistuksen MAC-osoitteet ja ARP, kytkintaulu Yleisimmät virheenkorjausmenetelmät CRC-virheenkorjaus Monipääsymenetelmät Erityisesti satunnaispääsyprotokollat (random access) Tiedostatte: Mikä on Ethernet ja miksi tarvitaan VLANeja Muut monipääsymenetelmät (kanavanjako ja vuorottelu) 3

4 Sisältö Linkkikerros ja sen laitteet Linkkikerroksen osoitteet (MAC-osoite) ARP (eli IP-MAC-mäppäys) ja kytkintaulu Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Virheiden havaitseminen Ethernet Spanning Tree Protocol (STP) Virtual LAN (VLAN) (MPLS) 4

5 Linkkikerros: terminologiaa Päätelaitteet ja reitittimet ovat solmuja Viereisiä solmuja yhdistävät tietoliikennekanavat linkkejä langallisia tai langattomia Linkkikerroksen paketti on kehys linkkikerroksen vastuulla on siirtää datagrammi yhdestä solmusta viereiseen solmuun linkin yli Kuvissa = Linkki 5

6 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 6

7 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 Usein sulautettuna, ei erillinen kortti laptop, kännykkä Osa linkkikerroksesta softaa joka ajetaan CPU:ssa Esim. paketin välitys IP-kerrokselle Yhdistelmä rautaa, softaa, ja sulautettua ohjelmistoa Software meets hardware sovellus kuljetus verkko linkki linkki fyysinen cpu memory controller fyysinen transmissio väylä (esim., PCIe) Verkkokortti 7

8 Viestintä linkin yli datagram datagram controller controller lähettäjä datagram vastaanottaja kehys 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 8

9 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 Bridging: lähiverkkosekmenttien yhdistäminen verkkokerroksen laitteilla Virtuaalilähiverkot ja Spanning Tree Protocol (myöhemmin lisää) 9

10 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 10

11 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 11

12 Kytkin: useita 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 Myös voi olla pidempi kaapeli half duplex à tarvitaan CSMA/ CD Max kaapelin pituus lyhyempi 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 12

14 MAC-osoite (media/medium access control) Linkkikerroksella käytössä MAC-osoitteet 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 14

15 MAC-osoite Jokaisella (MAC-osoitteita käyttävällä) 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

16 MAC-osoite MAC-osoitteiden allokaatiota hallinnoi IEEE Yrityksen tunniste + yrityksen allokoima osa Analogia: MAC-osoite ß à sotu IP-osoite ß à 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 16

17 ARP: Address Resolution Protocol Kuinka selvitetään vastaanottajan MAC osoite kun tiedetään sen IP-osoite? LAN A-2F-BB AD 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) F7-2B D7-FA-20-B C-C4-11-6F-E

18 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) 18

19 Lähetys toiseen lähiverkkoon Lähetetään paketti A:sta B:hen R:n kautta A tietää B:n IP-osoitteen (DNS kysely) A C-E8-FF CC-49-DE-D0-AB-7D E6-E BB-4B 1A-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) 19

20 Lähetys toiseen lähiverkkoon 1. A luo IP paketin: lähdeosoite A, kohdeosoite B 2. A:n reititystaulu kertoo, että oman verkon ulkopuolinen liikenne R:n kautta A tietää R:n IP osoitteen: manuaalisesti konffattu tai reititysprotokollan avulla 3. A käyttää ARP:aa saadakseen selville R:n MAC osoitteen vastaava MAC osoite C-E8-FF-55 A CC-49-DE-D0-AB-7D E6-E BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B R B2-2F-54-1A-0F B 49-BD-D2-C7-56-2A 20

21 Lähetys toiseen lähiverkkoon 4. A luo linkkikerroksen kehyksen ja lähettää sen R:n MAC osoitteeseen sisältö: lähetettävä IP-paketti 5. R dekapseloi IP-paketin kehyksestä à näkee, että kohdeosoite on B 6. R käyttää ARP:aa saadakseen B:n MAC osoitteen 7. R luo linkkikerroksen kehyksen ja lähettää sen Sisältö: Aà B IP-paketti Kohdeosoite: B:n MAC osoite C-E8-FF-55 A CC-49-DE-D0-AB-7D E6-E BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B R B2-2F-54-1A-0F B 49-BD-D2-C7-56-2A 21

22 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 Kuinka kytkintaulun rivit luodaan ja ylläpidetään kytkintaulussa? C 6 5 A A 1 2 B C 4 3 kytkin jossa kuusi porttia (1,2,3,4,5,6) B 22

23 Kytkin on itse-oppiva 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 kytkintaulu (Switch Table) A A A C B C A B 23

24 Kytkin on itse-oppiva: esimerkki lähettäjä: A kohde: A kehyksen kohdeosoite, A, ei löydy taulusta: floodaa C A A A B v kohdeosoite A löytyy taulusta: lähetä vain taulun osoittamaan porttiin MAC osoite liitäntä TTL A 1 60 A 4 60 kytkintaulu (switch table) 6 A A B C A 4 A A 3

25 Kytkinten verkottaminen Kytkinten avulla voidaan luoda verkko S 4 A B S 1 C S 2 D E F G S 3 H I A à G: Kuinka S1 tietää että G:lle osoitettu kehys pitää lähettää S4:n ja S3:n kautta? Itseoppivat kytkimet toimivat samoin kuin yhden kytkimen tapauksessa 25

26 Kytketty ja reititetty verkko ulkopuolinen verkko (Internet) reititin sähköpostipalvelin Web-palvelin IP-aliverkko 26

27 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 lyhimmän reitin valinta (hitaampi paketin prosessointi kuin kytkimessä) Kytkimet ylläpitää kytkintaulua oppivat algoritmit yleislähetysprotokollat (esim. ARP) rajoittaa verkon topologiaa ja kokoa Myös flatit MAC-osoitteet (ei aggregointia) Spanning Tree protokolla Pyritään estämään looppeja koska L2 protokollissa ei ole TTL-kenttiä! datagrammi kehys sovellus kuljetus verkko linkki fyysinen kytkin reititin sovellus kuljetus verkko linkki fyysinen päätelaite linkki fyysinen verkko linkki fyysinen päätelaite kehys datagrammi kehys 27

29 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) 29

30 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 30

31 Monipääsyprotokollat Kanavan osittaminen Jaetaan kanava pienempiin osiin (aikavälejä, taajuuksia, CDMAkoodeja) 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 31

32 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

33 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 time FDM cable frequency bands 33

34 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 34

35 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 35

36 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! 36

37 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 37

38 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) 38

39 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 39

40 CSMA/CD: tehokkuus T prop = max siirtoviive (propagation delay) kahden laitteen välillä lähiverkossa t trans = max kokoisen kehyksen lähetykseen kuluva aika efficiency = tehokkuus à 1 kun t prop à 0 kun t trans à parempi tehokkuus kuin ALOHA, yksinkertainen, halpa toteuttaa ja hajautettu! t prop /t trans 40

41 Vuorottelu -protokollat kanavan osittamiseen perustuvat protokollat: jakaa kanavan tehokkaasti kun kuormaa paljon tehottomia matalalla kuormalla: kanavapääsyviive, 1/N kaistaa allokoitu kun vain yksi aktiivinen lähettäjä! satunnaispääsyprotokollat: tehokkaita matalalla kuormalla: yksi lähettäjä saa koko kanavan iso kuorma: törmäykset aiheuttavat overheadia vuorottelu -protokollat pyrkivät yhdistämään parhaat puolet ylläolevista 41

42 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 42

43 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 43

44 Kaapeliverkko Internet-dataliikenne,TV kanavasisältö ja kontrolliliikenne lähetetään alakaistalla eri taajuuksilla cable headend CMTS cable modem termination system splitter cable modem ISP Internet-dataliikenne, TV kontrolliliikenne, lähetetään yläkaistaan eri taajuuksilla ja aikajakoisena alakaista (downstream) koostuu useista 40Mbps kanavista (broadcast) yksi CMTS lähettää kanaville yläkaista myös useita 30 Mbps kanavia monipääsy: käyttäjät kilpailevat yläkaistan kanavien aikasloteista 1-44

45 Kaapeliverkko DOCSIS: data over cable service interface spec FDM jakaa ylä- ja alakaistan kanaviin TDM käytetään yläkaistassa: osa sloteista allokoidaan, osasta kilpaillaan (satunnaispääsy) alakaistan MAP-kehys: kertoo yläkaistan slottien allokoinnin tietyt slotit varattu yläkaistan slottiallokointipyyntöihin: lähetetään satunnaispääsyn mukaisesti (binary backoff) Euroopassa käytössä EuroDOCSIS Joitain eroja jenkkiversioon 5-45

46 MAC protokollat: yhteenveto kanavan osittaminen, ajallisesti, taajuusalueisiin tai koodeihin Time Division, Frequency Division satunnaispääsy (dynaaminen), ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD carrier sensing: helppoa langallisissa verkoissa (wire), vaikeaa langattomissa CSMA/CD käytössä Ethernetissä CSMA/CA käytössä (Wi-Fi) vuorottelu isäntälaitteen pollaukseen perustuva tai tokenin välittäminen bluetooth, FDDI, token ring 46

48 Virheiden havainnointi ja korjaus Linkkikerroksella usein toteutetaan vaikka TCP hoitaa Vältetään TCP ruuhkanhallinnan reagointi Nopeampi reagointi virheisiin (kuljetuskerros on end2end!) Vähemmän turhaa liikennettä (virheellisiä paketteja ei välitetä) Error Detection ja Correction bitit 48

49 Virheiden havainnointi ja korjaus Joskus vain virheen havainnointi, ei korjausta Esim. Ethernet Erityisesti langattomilla linkeillä siirtovirheitä voi tulla paljon Signaalin vaimennus, kohina, interferenssi Pyritään myös korjaamaan virheet Virheen havaitseminen ei ole 100% luotettavaa Enemmän virheenkorjausbittejä à suurempi havaitsemistodennäköisyys 49

50 Cyclic Redundancy Check (CRC) Voi havaita kaikki purskeiset virheet r+1 bittiin asti Laajalti käytössä Ethernet, WiFi, ATM Tarkastellaan databittejä, D, binäärinumerona Valitaan r+1 bittijono (generaattori), G lähettäjä ja vastaanottaja sopii käytetään standardoituja generaattoreita Lähettäjä valitsee bitit R siten, että <D,R> täsmälleen jaettavissa G:llä (modulo 2), eli jakojäännös nolla Vastaanottaja jakaa <D,R> G:llä Jos jakojäännös ei nolla à havaittu virhe 50

51 CRC esimerkki Halutaan: D. 2 r XOR R = ng On yhtä kuin: D. 2 r = ng XOR R Toisin sanoen: jos jaamme D. 2 r G:llä, saadaan jakojäännös R R D = jakojäännös [. 2 r ] G Lähetettäessä jakojäännös lisätään datan perään Vastaanottaja jakaa koko datan samalla G:llä, ja jos jakojäännös nolla, ei havaittuja virheitä G D r = 3 modulo 2 operaatiot à ei lainata 1! 01000! 1001! ! 1001! 101! 000! 1010! 1001! 010! 000! 100! 000! 1000! 0000! 1000! 51

53 Ethernetin historiaa Eniten käytössä oleva langallinen LAN teknologia Kehitys: 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 /40 Gigabit Ethernet 1 GbE peruskauraa tänä päivänä päätelaitteille 10 GbE nyt käytössä high end verkoissa (esim. datakeskuksissa) 100 GbE tuotteita on jo esim. runkoverkon reitittimille muttei vielä pitkään aikaan päätelaitteisiin Extreme Networksin 100G kytkinmoduulin hinta $35,000 per portti 53

54 Ethernet-kehyksen rakenne IP-paketti otsakkeineen Preamble SD Kohde osoite Lähde Pituus/ Osoite DATA (muuttuva pituus) Pad tyyppi CRC tavua Yhteensä tavua Preamble (Alkutahdistus) toistaa kuviota Käytetään vastaanottimen synkronointiin lähettäjän kellon nopeuteen SD aloittaa itse kehyksen tavulla

55 Ethernet-kehyksen rakenne IP-paketti otsakkeineen Preamble SD Kohde osoite Lähde Pituus/ Osoite DATA (muuttuva pituus) Pad tyyppi CRC tavua Yhteensä tavua Osoitteet ovat 48-bittisiä MAC-osoitteita vo-osoite oma tai yleislähetys (esim. ARP) à välitetään verkkokerrokselle muutoin hylätään kehys Pituus/tyyppi: verkkokerroksen protokollatyyppi tai kehyksen pituus Pituus ei välttämätön parsimiselle sillä kehyksen loppu tunnistetaan Padding (täytebitit) varmistaa, että kehys on vähintään 64 tavua CRC kattaa osoitteet, pituuden, informaation ja täytebitit Virheellinen kehys hylätään 55

56 Ethernetin MAC-osoitteistus 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 Ylläpitäjät voi määritellä locally administered osoitteet 3 ensimmäistä tavua (miinus kaksi ensimmäistä bittiä) on Organizationally Unique Identifier (OUI) 3 viimeistä tavua on valmistajan valittavissa 56

57 Ethernet-palvelu Yhteydetön Ei kättelyä (handshaking) lähettävän ja vastaanottavan NIC:in välillä Ei pidetä tilaa Epäluotettava Vastaanottava NIC ei lähetä kuittauksia lähettäjälle Vialliset paketit hylätään TCP lähettää lopulta uudelleen Ethernetin MAC-protokolla: unslotted CSMA/CD with binary backoff 57

58 Ethernet-väylä Väylätopologia (yhteinen jaettu kaapeli) suosittu 90- luvun puoliväliin asti Kaikki solmut samassa mediassa ja törmäyksiä sattuu Koaksiaalikaapeli Terminaattori (päätevastus) kaapelin päässä Metcalfin piirros väylä (bus) 58

59 Ethernetin tähtitopologia Nykyään käytetään tähtitopologiaa (star) Aktiivinen kytkin (switch) keskellä Kytketty Ethernet (switched Ethernet) Jokainen osallistuja ( haara ) käyttää omaa Ethernet protokollaa (solmut eivät törmää keskenään) kytkin 59

60 Ethernetin linkki & fyysinen kerros on Ethernetin standardi Määrittelee fyysisen kerroksen ja linkkikerroksen MAC-osan Monia eri lisäyksiä (amendments) jotka tuotu säännöllisesti standardiin Yhteinen MAC-protokolla ja kehysformaatti Erilaisia nopeuksia: 2 Mbps 100Gbps Erilaisia siirtoteitä (media): kuitu, kaapeli Esim ab: 1000BASE-T Gbit/s Ethernet over twisted pair at 1 Gbit/s sovellutus transport verkko Linkki fyysinen MAC protokolla ja kehysformaatti 100BASE-TX 100BASE-T4 Logical Link Control (LLC) 100BASE-T2 100BASE-SX 100BASE-FX 100BASE-BX kuitu fyysinen kerros kupari (T, Twisted pair; kierretty pari) fyysinen kerros 60 BASE = baseband signalointi

62 Silmukat kytketyissä verkoissa CC DD Jos ei kohdeosoite tiedossa à lähetetään kaikkiin portteihin Floodaus voi johtaa silmukoihin (forwarding loops) Kytkimet yhteydessä toisiinsa rinkimäisesti Silmukat voivat aiheuttaa hallitsemattoman yleislähetysten määrän (broadcast storm) Spanning tree protocol (STP) käytetään kytkimissä silmukoiden välttämiseksi Muodostaa silmukattoman verkkotopologian (toinen esimerkki katso kotona) AA Hub Port 2 Port 2 AA 21 AA 21 Port 1 Port 1 Hub BB <Src=AA, Dest=DD> And so on No TTL in L2 headers! 62

63 Tuntematon unicast MAC-osoite Kytkin1 oppii host1:n MAC osoitteen SAT (Source Address Table) Port 4: Kytkin host1 A A Kytkin2 host D-FE 63

64 Tuntematon unicast MAC-osoite Kohde MAC-osoite tuntematon joten kytkin1 floodaa kehyksen SAT (Source Address Table) Port 4: Kytkin host1 A A Kytkin D-FE host2 64

65 Tuntematon unicast MAC-osoite Kytkin2 vastaanottaa kehyksen kahdesti, tallentaa toisen portin tauluunsa SAT (Source Address Table) Port 4: Kytkin host1 A A Kytkin D-FE host2 SAT (Source Address Table) Port 1: Port A:

66 Tuntematon unicast MAC-osoite Kytkin2 floodaa tuntemattoman kohdeosoitteen kehyksen kaikkiin paitsi sisääntuloporttiin. SAT (Source Address Table) Port 4: Kytkin host1 A A Kytkin2 host2 SAT (Source Address Table) Port A: D-FE 66

67 Tuntematon unicast MAC-osoite Kytkin1 vastaanottaa kehyksen, päivittää kytkintaulunsa uudemmalla tiedolla ja floodaa taas kehyksen. SAT (Source Address Table) Port 4: Port 1: Kytkin host1 A A Kytkin2 host2 SAT (Source Address Table) Port A: D-FE 67

68 Tuntematon unicast MAC-osoite Sykli jatkuu! SAT (Source Address Table) Port 4: Port 1: Kytkin host1 A A Kytkin2 host2 SAT (Source Address Table) Port A: D-FE 68

69 Spanning Tree Protocol (STP) Kehitetty 80-luvun lopulla, IEEE-802.1D vuonna 1990 STP estää silmukat blokkaamalla osan porteista Muita: RapidSTP, Shortest Path Bridging, TRILL Kytkimet muokkaavat verkosta virityspuun (Spanning Tree) Virityspuussa ei ole silmukoita Kytkimien portit luokitellaan käytössä oleviin ja blokattaviin Hajautettu protokolla määrittelee BPDU (Bridge Protocol Data Unit) -viestit, jonka avulla kytkimet vaihtavat tietoja Jokainen kytkin päättelee itse mitkä portit voi olla käytössä Konfigurointi-BPDU ajastetusti 69

70 Virityspuu Virityspuu on puun kaltainen rakenne Juuri (Root) à Juurikytkin Oksat à muut kytkimet Lehdet à lähiverkkosegmenttien päätelaitteet (kiinni kytkimissä) Puun ominaisuudet Kaikki verkon elementit kytkettynä verkkoon Ei silmukoita Vain yksi polku lehdestä toiseen Puu rakennetaan määrittelemällä tietyt roolit Kytkimille ja Kytkinten porteille Näiden perusteella valitaan blokattavat portit 70

71 STP: esimerkki lopputuloksesta Kaikki päätelaitteet lehtiä Juurikytkin Juuriportti (RP) Nimetty portti (DP) Blogattu portti (BP) Oksat 71

72 Porttien roolit Kolmenlaisia portteja Juuriportti (Root port) Portti jonka kautta kytkin välittää kehykset juurikytkimelle pienimmällä kustannuksella (path cost) Path cost on määritelty standardissa Nimitetty portti (Designated port) Portti jonka kautta lähiverkkosegmentistä juureen pienimmällä kustannuksella Blokattu portti Ei käytetä datakehysten välittämiseen Estää silmukat 72

73 Kytkinten roolit Ensin määritellään juurikytkin Vain yksi Virityspuun juuri josta oksat lähtee Ei vaadita mitään erityisominaisuuksia Juuri valitaan kytkimien ID:n perusteella Jokaisella ID (prioriteetti plus MAC-osoite) Pienin ID on juuri Nimitetty kytkin (designated switch) Liikenne juuresta muihin linkkeihin näiden kautta Vain yksi nimitetty kytkin per linkki 73

74 Virityspuun rakentaminen Miten päästään äskeisen kuvan lopputulokseen? Helppoa järkeillä kuvan perusteella Mutta verkossa jokainen kytkin tietää vain naapurinsa, ei koko topologiaa! STP:ssa kytkimet lähettää toisilleen viestejä ja oppivat näin tarpeellisen tiedon BPDU-viestit Kuin reititysprotokolla, mutta eri tarkoitus (silmukoiden poisto) 74

75 BPDU Bridge Protocol Data Unit (BPDU) viestien avulla kytkimet oppivat ja vaihtavat tietoja Konfigurointi BPDU: lähetetään Hello-ajastimen mukaisesti Yleensä 2s välein Topologian muutos (Topology Change, TCN) BPDU Kytkin lähettää jos huomaa topologiamuutoksen Asetetaan Topology Change (TC) -lippu BPDU-viestiin Kun kytkin vastaanottaa BPDU:n jossa TC-lippu à vaihtaa vanhenemisajan lyhyeksi unohdetaan pikaisesti vanhat entryt 75

76 Virityspuun rakentaminen, juuren valinta Ensin pitää sopia siitä mikä on juurikytkin BPDU-viestissä Bridge ID (oma ID) ja Root ID (oletetun juuren ID) Aluksi jokainen arvelee itse olevansa juuri Vaihdettujen viestien avulla kaikki kytkimet lopulta oppivat sen jolla pienin ID à juuri Seuraavaksi määritellään juuriportit ja nimitetyt portit Etsitään portteja joiden kautta päästään minimikustannuksella juurikytkimeen Jäljelle jäävät portit blokataan Linkille kustannus tekniikan mukaan 76

77 Juuriporttien valinta RPC(Fa0/2) = 19, RPC(Fa0/1) = 38 à RP = Fa0/2 Kytkimet lähettää BPDUta, joissa kolme attribuuttia Lähettäjän ID Juurikytkimen ID Kustannus juureen lähettäjältä Vastaanotetun BPDU:n juuripolun kustannukseen lisätään kyseisen linkin kustannus Lähetetään BPDU portista vain jos sieltä vastaanotetun BPDU:n RPC suurempi kuin oma RPC Valitaan juuriportiksi (RP) se jonka kautta pienin kustannus juureen Root Path Cost (RPC)= 0 à SW2,SW3 Root Path Cost = 0+19 à SW2,SW4 RPC(Fa0/1) = 19, RPC(Fa0/2) = 38 à RP = Fa0/1 RP Root Path Cost = 0+19 à SW3 RP 77

78 Linkkikustannus Miten määritellään polun kustannus? Linkkityypeille (nopeus) oma kustannus Oletusarvot IEEE:n standardista Konfiguroitavissa Linkin nopeus Kustannus 10 Gbps 2 1 Gbps Mbps Mbps

79 Juuriporttien valinta Joskus juuripolun kustannus sama Kolme sääntöä tiebreak tilanteisiin: 1. valitaan pienin kytkin ID 2. valitaan pienin lähettäjän portin prioriteetti Tämä on myös BPDU attribuutti Oletusarvo = 128, voidaan konffata 3. valitaan pienin vastaanottajan portti ID Root Path Cost = 0+19 à SW2,SW4 RPC(Fa0/1) = 38, RPC(Fa0/2) = Fa0/1 < Fa0/2 à RP = Fa0/1 RP RP RP 79

80 Nimitettyjen porttien valinta Tavoite: valitaan yksi portti per lähiverkkosegmentti Nimitetään portit (DP) jonka kautta kytkin mainostaa pienintä kustannusta juureen Verrataan portista tulleen BPDU:n RPC:a omaan Samat tiebreak säännöt kuin juuriporttien valinnassa: 1. valitaan pienin kytkin ID 2. valitaan pienin lähettäjän portin prioriteetti 3. valitaan pienin vastaanottajan portti ID RPC(SW2) = 19, oma RPC = SW2 < SW3 à block Fa0/2 RPC(SW3) = 19, oma RPC = 38 à block Fa0/2 RPC(SW3) = 19, oma RPC = SW2 < SW3 à Fa0/2 = DP 80

81 Porttien tilat Ei käytössä: ei vastaanota/lähetä mitään Blocking: käytössä, vastaanottaa vain BPDU viestejä Listening: ei välitä datakehyksiä, mutta kuuntelee ja lähettää BPDU viestejä Virityspuun rakentaminen käynnissä Learning: valmistautuu välittämään à rakentaa välitystaulua Tiedetään jo STP tila (RP tai DP) Pyritään ehkäisemään liiallista floodausta Forwarding: vastaanottaa ja lähettää datakehyksiä Kuuntelu- ja oppimistilojen oletusarvoiset kestot 15s Kestää 30s ennenkuin uusi topologia opittu 81

82 Juurikytkimen kuolema STP:ssa nimitetyt kytkimet eivät luo uusia BPDU-viestejä Paitsi jos huomataan topologiamuutos (lähtetään Topology Change TCN BPDU, jolloin vaihdetaan vanhenemisaika lyhyeksi) Juurikytkin vain tekee niin Vastaanotetaan BPDU juuriportista ja välitetään nimitetyistä porteista Jos edellisestä BPDU:sta kulunut > max age time (oletus 20s) à juurikytkin julistetaan kuolleeksi Juuren menehdyttyä aloitetaan virityspuun rakentaminen alusta Kaikki kytkimet olettavat itsensä juureksi 82

84 VLAN: miksi tarvitaan Tietotekniikka (CS) Mediatekniikka (ME) Tietojenkäsittely (ICS) CS-käyttäjä siirtyy MElaitokselle mutta tahtoo ottaa yhteyden CS-kytkimeen? yksi yleislähetysalue (broadcast domain): kaikki linkkikerroksen yleislähetysliikenne (ARP, DHCP, tuntematon kohde MAC-osoite) lähetetään koko lähiverkkoon 84

85 VLAN: miksi tarvitaan Yleisliikenne kulkee koko verkkoon Tehokkuusnäkökulmasta huono juttu Tietoturva/yksityisyysnäkökulmasta samoin Verkon osat voidaan eristää reitittimen avulla Tehoton kytkinten käyttö Jokainen laitos (esimerkissä) tarvitsee oman kytkimen Kytkinportit ei välttämättä kaikki käytössä Verkonhallinta hankalaa Käyttäjän siirtyessä eri taloon joudutaan kaapelointia muuttamaan VLAN mahdollistaa eristämisen ilman erillistä reititintä 85

86 VLAN Virtual Local Area Network VLAN:a tukevat kytkimet voidaan konffata niin että yksi fyysinen lähiverkko jaetaan useaan virtuaaliseen lähiverkkoon. porttiperusteinen VLAN: kytkinportit ryhmitelty (kytkimen hallintaohjelmiston avulla) niin että yksi fyysinen kytkin 1 2 Mediatekniikka (VLAN portit 1-8) Tietotekniikka (VLAN portit 9-15) toimii aivan kuin monta virtuaalista kytkintä Mediatekniikka (VLAN portit 1-8) Tietotekniikka (VLAN portit 9-16) 86

87 Porttiperusteinen VLAN liikenteen eristys: kehykset porteista 1-8 vain portteihin 1-8 reititin mahdollista määritellä VLAN myös esim. päätelaitteiden MACosoitteiden perusteella dynaaminen jäsenyys: portti voidaan koska tahansa määritellä kuuluvaksi mihin tahansa VLAN:iin kehysten välitys VLAN:ien välillä: reitityksen avulla (just as with separate switches) kuten erillisten kytkinten tapauksessa käytännössä reititin integroitu samaan laitteeseen Mediatekniikka (VLAN portit 1-8) Tietotekniikka (VLAN portit 9-15) 87

88 VLAN:t usean kytkimen yli ME (VLAN portit 1-8) CS (VLAN portit 9-15) Portit 2,3,5 kuluu ME VLANiin Portit 4,6,7,8 kuuluu CS VLANiin trunk portti: kuljettaa usean VLAN:in kehykset kytkinten välillä käytetään VLAN tägejä kertomaan mihin VLAN:iin kyseinen kehys kuuluu 802.1q protokolla lisää/poistaa tarpeelliset otsakkeet kehyksistä jotka välitetään trunk-portin kautta Näin vältetään tarve yhdistää portti per kytkin per VLAN 88

89 802.1Q VLAN kehysformaatti tyyppi preamble dest. address source address data (payload) CRC kehys tyyppi preamble dest. source data (payload) address address CRC 802.1Q kehys 2-tavun Tag Protocol Identifier (arvo: 81-00) Uudelleenlaskettu CRC Tag Control Information (12-bitin VLAN ID kenttä, 3-bitin priority kenttä kuten IP TOS) 5-89

91 Multiprotocol label switching (MPLS) Sanotaan 2.5 kerroksen protokollaksi Toimii linkki- ja IP-kerrosten välissä IP:n näkökulmasta linkki onkin oikeasti kokonainen MPLS-polku Samoin kuin kytketyt verkot IP:lle näkymätöntä PPP tai Ethernet otsake MPLS otsake IP otsake loppu linkkikerroksen kehys label Exp S TTL

92 Multiprotocol label switching (MPLS) Alkuperäinen tavoite: nopea IP pakettien välitys vakiokokoisten etikettien (label) avulla (IP-osoitteiden sijasta) Nopea lookup vakiokokoisilla ID:lla (prefix-haun sijaan) Virtuaalipiirien (Virtual Circuit (VC)) tyylisesti mutta IP-yhteensopivasti (käytetään edelleen IP osoitteita) Nykyään käytetään lähinnä muista syistä Esim. liikenteen dynaaminen ohjaus (traffic engineering) Myös VPN 92

93 MPLS ja reitittimet MPLS:a tukeva reititin on label-switched reititin Välittää paketit ulosmenoportteihin vain etiketin arvon perusteella Etiketti vaihdetaan uuteen joka reitittimessä Etiketin arvo on linkkispesifinen Ei katso IP osoitteita ollenkaan MPLS välitystaulu eri kuin IP reititystaulu 93

94 MPLS ja reitittimet Joustavuus: MPLS forwardointi voi poiketa IP forwardoinnista voidaan reitittää paketit joilla samat IP-osoitteet (lähde, kohde) eri polkuja pitkin samaan päätepisteeseen liikenteen ohjaus eli traffic engineering uudelleen reititys linkin vioittuessa: etukäteen lasketut varareitit Erityisen hyödyllistä interaktiivisille sovelluksille, esim. VoIP 94

95 MPLS vs. IP polut R6 R5 R4 R3 D R2 v IP reititys: polku määräytyy ainoastaan kohdeosoitteen perusteella A IP router 95

96 MPLS vs. IP polut R6 R5 R4 ensimmäinen reititin (R4) voi valita eri MPLS reitin A-noodiin esim. lähettäjän osoitteen perusteella R3 D R2 v IP reititys: polku määräytyy ainoastaan kohdeosoitteen perusteella v MPLS reititys: polku voi määräytyä sekä lähde- että kohdeosoitteiden perustella fast reroute: etukäteen lasketut varareitit linkin pettämisen varalta A pelkkä IPreititin MPLS- ja IP-reititin 96

97 MPLS signalointi OSPF ja IS-IS reititysprotokollista on MPLS:a tukevat versiot välittävät MPLS:n tarvitsemaa tietoa esim. linkin kaista, jo varattu kaista ensimmäinen MPLS-reititin käyttää RSVP-TE signalointiprotokollaa alustaakseen MPLS polun R6 R5 R4 modifioitu link state flooding RSVP-TE D A 97

98 in out out label label dest interface 10 A 0 12 D 0 8 A 1 MPLS välitystaulut in out out label label dest interface 10 6 A D 0 R6 R5 R4 0 R2 in out out label label dest interface A 0 R D 0 A in out R1 out label label dest interface 6 - A 0 etiketti vaihdetaan joka reitittimessä 98

99 Yhteenveto Periaatteet datalinkki kerroksen palveluissa: virheiden havainnointi (Ethernet) ja korjaus (WiFi) Monipääsyprotokollia tarvitaan jaetuissa kanavissa Kanavan osittaminen (matkapuh.verkot), satunnaispääsy (Ethernet ja Wi-Fi), vuorottelu MAC- osoitteet (uniikkeja) ja niiden mäppäys IP-osoitteisiin ARPin avulla Ethernet Yleisin langallinen lähiverkkoteknologia IEEE standardi, erilaisia versioita (siirtonopeus, fyysinen siirtotie) Kytketyissä verkoissa voi esiintyä välityssilmukoita Tarvitaan Spanning Tree Protocol (STP) tms. Muodostaa silmukattoman topologian Virtual LAN (VLAN) Verkon osittaminen yhdellä laitteella Helpottaa verkonhallintaa ja tehostaa laitteiden käyttöä MPLS mahdollistaa joustavan pakettien reitityksen Liikenteenohjaus ja varareitit 99

100 Lyhenteitä ja terminologiaa 100