M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (1/38) S 38.188 Tietoliikenneverkot S 2000 Luento 2: L1, L2 ja L3 toiminteet OSI malli M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (2/38) OSI malli kuvaa kommunikaatiota erilaisten protokollien mukaisissa verkoissa Perustuu ominaisuuksien ryhmittelyyn osajärjestelmiksi Kaikki rinnakkaiset osajärjestelmät muodostavat kerroksen Jokainen osajärjestelmä keskustelee Ylempien ja alempien kerrosten osajärjestelmien kanssa Oman kerroksen osajärjestelmien kanssa käyttäen alempien kerroksien tarjoamia rajapintoja 7 Sovelluskerros 6 Esitystapakerros 5 Yhteyskerros 4 Siirtokerros 3 Verkkokerros 2 Siirtoyhteyskerros 1 Fyysinenkerros
Fyysinen kerros (L1) M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (3/38) Tarjoaa mekaanisen, sähköisen, funktionaalisen keinon aktivoida, ylläpitää ja purkaa fyysisen yhteyden informaation siirtoa varten kahden siirtoyhteyskerroksen välillä. Tarjoaa siirtoyhteyskerrokselle: fyysisen yhteyden fyysisen kerroksen SDU:n fyysisen kerroksen palvelun päätepisteet siirtoyhteyden identifioinnin vikatilailmoitukset palvelun laauparametrit M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (4/38) L1 laitteisto L1 välitin on toistin Toistimessa regeneroidaan siirtotien signaali Päätarkoitus on luoda mahdollisuus etäisyyden kasvattamiseksi suoralla yhteydellä. Esimerkiksi: Lähiverkoissa, ethernet toistin (HUBi) Kaukoverkoissa, SDH toistin L1
Siirtoyhteyskerros (L2) M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (5/38) Kahden peräkkäisen laitteen tapa vaihtaa informaatiota hallitusti keskenään, siten että ne muodostavat yhden jänteen verkosta Tarjoaa verkkokerrokselle Siirtoyhteysiä siirtoyhteyskerroksen SDU:ta siirtoyhteyden päätepisteitä virheilmoituksia vuonhallintaa palvelun laatuparametreja M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (6/38) L2 ja osoitteistus L2 eli siirtoyhteyskerros käsittelee OSI mallissa lokaalia kahden pisteen välistä informaatiota Kahden pisteen välillä oleva siirtoyhteys voi olla: kiinteä jaettu pakettipohjainen aikavälipohjainen Jotta jaetussa mediassa kulkeva informaatio voidaan ohjata oikealle päätelaitteelle tarvitaan osoitteistusta L2 osoitteet ovat siirtoyhteyskohtaisia eli lokaaleja osoitteita: ATM VPI/VCI Ethernet MAC PDH aikaväli
M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (7/38) L2 ja laitteisto L2 välitin on pakettikytkin L2 laitteet huolehtivat siirtoyhteystason verkottamisesta, eli ne toimivat paikallisilla osoitteilla. Usein loogisia osoitteita, joiden sarja muodostaa varsinaisen yhteyden verkon päästä päähän. Tyypillisiä laitteita ovat: Silta eli ethernet kytkin (MAC osoitteet) ATM kytkin (VPI/VCI osoitteet) SDH kytkentälaitteet Miksi kytkentää??? Suoraan yhteyteen perustuvat verkot asettavat rajoituksia sille, kuinka monta päätelaitetta voi olla kytkettynä verkkoon Pelkästään linkkien määrä rajoittaa hallittavuutta Päätelaitteet monimutkaistuvan linkkien lukumäärän kasvaessa M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (8/38)
Miksi kytkentää??? Suoraan yhteyteen perustuvat verkot ovat maantieteellisesti rajallisia (pitkät linkit eivät kata aluetta niiden välillä). Ethernet verkon pituutta rajoittaa paketin päästä päähän kulkuaika M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (9/38) Verkkokerros (L3) M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (10/38) Yhden tai useamman laitteen muodostama taso verkossa, jonka yli sovellukset voivat kommunikoida haluamaansa pisteeseen. Suorittaa reititystä ja välitystä virheiden havainnointia virheistä toipumista Tarjoaa siirtokerrokselle: verkko osoitteita verkkoyhteyksiä verkkoyhteyden päätepisteitä verkkokerroksen SDU:ta edellisten siirtoa palvelun laatuparametreja virheilmoituksia vuonhallintaa yhteyshallintaa
M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (11/38) L3 laitteisto L3 välitin on pakettikytkin L3 laitteet tietävät verkon loogisen konfiguraation. Voi olla yksilöllistä Voi olla kokoomatietoa Verkkotason informaation saadaan käsin syöttämällä reititysprotokollilla Laitteet IP reititin (IP osoitteet ja linkit) ATM kytkin (ATM osoitteet ja linkit [NSAP]) M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (12/38) L3 ja osoitteistus L3 eli verkkokerros käsittelee OSI mallinmukaisissa verkoissa koko verkon tasolla tapahtuvaa informaation siirtoa L3 yhteyden päätepisteiden välinen yhteys muodostuu ketjuna L2:n loogisia yhteyksiä Jotta oikea ketju yhteyksiä voidaan muodostaa, täytyy olla verkon laajuinen osoitteistus L3 osoitteet ovat verkko osoitteita ATM NSAP osoite (20 tavua) IP IP osoite (4 tavua) PSTN E.164 puhelinnumero
Sukellus tosimaailmaan M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (13/38) Käytännössä siirtoyhteys on aina jaettu, joko: Fyysisesti (ethernet segmentti) Loogisesti (kytkimiä yhdistävät linkit) Osoitteistus on siis keskeinen tekijä. Seuraavassa tarkastelemme L1, L2 ja L3 välittimien toimintaa todellisessa verkossa todellisten osoitteiden kautta. Esimerkki perustuu verkkoon, jonka laitteet käyttävät: IP protokollaa (L3) (käsitellään luennolla Verkkojen välinen liikenne ) Informaatioyksikkö: Paketti Ethernet lähiverkossa (L2+L1) (käsitellään luennolla Linkkipalvelut ) Informaatioyksikkö: Kehys Tosimaailman esitiedot M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (14/38) IP osoite (L3) 32 bittiä Jaettu neljään 8:n bitin ryhmään Esitetään desimaalisena piste ryhmien välissä Esimerkiksi: 130.233.154.97 Käyttäjän asetettava Ethernet osoite (L2) Media Access Control (MAC) osoite 64 bittiä Esitetään heksadesimaalisena tyypillisesti viiva tai kaksoispiste erottimena Esim:00:80:C8:8A:BE:B4 Jokaisella verkkokortilla on globaalisti uniikki
M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (15/38) Toimii L1:llä Informaatio kulkee läpinäkyvästi. Ei puutu mihinkään osoiteinformaatioon Tarkoitettu kahden segmentin yhteenliitäntään... Toistin A C B D Toistin M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (16/38) Sekä eri medioilla liitettyjen laitteiden liittämiseen samaan verkkoon. A B C D EF
M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (17/38) Silta Toimii L2:lla Vastaanottaa kehyksen yhdestä liitännästä ja välittää sen toiseen mikäli on siellä puolella verkkoa. Poistaa törmäykset kahden liitännän välillä puskuroimalla kehyksiä. Törmäys on Ethernetin medianvarauksen (L2) tapa saada kanava haltuun Lähetetään kilpaa ja jos toinen laite lähettää samaan aikaan tapahtuu törmäys Törmäyksiä poistetaan jakamalla verkkoa pienempiin osiin 256 laitetta > suuri riski 32 laitetta > kohtuullinen riski 8 laitetta > pieni riski M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (18/38) Silta A B C D
M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (19/38) Ethernet kytkin C D E F M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (20/38) Reititin L3 välitin Tarvitaan, jotta voidaan rakentaa suuria verkkoja yksinkertaisesti. oli globaalisti uniikki mutta koska se on kiinteästi koodattu jokaiseen korttiin ei osoitteiden jakautuminen maapallolle ole mitenkään hallinnassa. Tarvitaan toinen globaaliosoite, joka on hallinnoitavissa > IP osoite Huolehtii eri IP verkkojen yhdistämisestä. Vastaanottaa uloslähetettävän IP paketin verkosta ja välittää sen verkkoon, johon sen kuuluu osoitteensa perusteella mennä. Reititintä tarvitaan myös lähiverkossa, jossa on useampia IP verkkoja
M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (21/38) Reititin A B IP osoite 10.38.154.123 10.38.154.253 10.38.154.254 10.38.154.255 IP osoite 130.233.154.97 130.233.154.147 130.233.154.254 130.233.154.255 C D M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (22/38) Reititin A C D B IP osoite 10.38.154.123 10.38.154.253 10.38.154.254 10.38.154.255 IP osoite 130.233.154.97 130.233.154.147 130.233.154.254 130.233.154.255
Reititys / Välitys / Kytkentä Reititys (routing) on prosessi, jossa rakennetaan tietokanta kohdeosoitteen ja lähtöjohdon välille. Välitys (forwarding) on prosessi, jossa reititystietokannasta etsitään haluttua kohdeosoitetta vastaava lähtöjohto. Kytkentä (switching) on prosessi, jossa tulojohdolta kopioidaan informaatio lähtöjohdolle. Switching User Plane Control Plane Network Link layer layer Management Plane M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (23/38) Routing Routing agent Link layer Network Physical layer layer Management agent Network layer Link layer Link layer Physical layer Forwarding Link layer Physical Link layer Physical layer Physical layer Physical layer M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (24/38) Pakettikytkin Useita tulo ja lähtöjohtoja Tehtävät: Muodostaa reititystaulukko ja välittää reititys informaatiota. Suorittaa paketin välitys perustuen paketin osoitteeseen. Kytkeä paketti oikealle lähtöjohdolle Huolehtia eri johtojen sovituksesta (nopeus, protokolla jne) Route database Line card Line card Line card Line card Network processor Switch fabric Line card Line card Line card Line card
M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (25/38) Verkotus Pakettikytkimillä muodostetaam yhdistettyjäverkkoja liittämällä useita lähiverkkoja toisiinsa useita pakettikytkimiä toisiinsa Välitystavat Välitystavat eroavat: Informaation rakenteesta riippuen Jatkuva bittivirta Paketti Välitykseen käytettävän osoiteinformaatiosta riippuen Yksinomaan globaaliosoite (L3) Yksinomaan lokaaliosoite (L2) Sekä globaali että lokaaliosoite (L3+L2) M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (26/38)
M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (27/38) Piirivälitys Piirivälitys pohjautuu jatkuvan (vakio) bittivirran siirtämiseen kahden pisteen välillä. Tekniikka kehitettiin puhelinverkon tarpeisiin Välitystapahtuma edellyttää kanavan aukaisemista ennen varsinaisen informaation siirtoa (merkinanto) Tapahtuu L3 osoitteita hyödyntäen (puhelin numero) Kanava on ketju L2 osoitteita, jotka puhelinverkkossa ovat PDH linkkien aikavälejä Välitys perustuu L2 osoitteisiin!!! HUOM!!! Voidaan käyttää myös datan siirtoon Piirivälitys M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (28/38)
M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (29/38) Piirivälitys Edut: Informaatiota ei tarvitse kehystää (hyötysuhde 100%) Verkon tila tunnettu koko yhteyden ajan (ei ylimääräistä jonotusviivettä) Ei informaation hukkaa Haitat: Kanava pitää avata ennen informaation siirtoa Siirtokanava vakionopeuksinen (jatkuva bittivirta periaate) Sanomavälitys M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (30/38) Perustuu tarpeen vaatiessa tapahtuvan informaation riippumattomaan siirtoon verkkossa. Kommunikoivien päätelaitteiden välille ei muodosteta erillistä kanavaa (yhteyttä) Kommunikaatio hyödyntää yksistään globaaleja osoitteita Informaatio kehystetään L3 osoitteilla Välitys tapahtuu L3 osoitteilla Informaatio kulkee paketoituna toisistaan riippumattomia polkuja Järjestys voi muuttua Paketteja voi hukkua Resurssitasosta ei ole tietoa Vastaanottajan tilasta ei ole tietoa
M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (31/38) Sanomavälitys 1 6 4 3 2 5 M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (32/38) Sanomavälitys 3 0 B 3 0 2 1 2 1 3 0 A 2 1 B
M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (33/38) Sanomavälitys Edut Ei viivettä yhteyden pystyttämisen ja informaation siirron välillä Hyödyntää verkon resurssit tehokkaasti Haitat Jokainen paketti käsitellään omana tietoyksikkönään Pitemmät osoitteet (globaali osoite) Päätelaite ei tiedä verkon tilaa lähettäessään dataa verkkoon Linkkien tila vaihtelee > puskurointia > viiveitä Virtuaalipiirivälitys Sekoitus kahta edellistä Informaatio paketoitua (vakio tai vaihtelevan mittaista) Välitys yhteyspohjaista Yhteyden alussa avataan kanava (merkinanto) Hyödynnetään globaalia osoitetta (L3) Luodaan ketju lokaaleja osoitteita (L2) Informaatio lähetetään kehystettynä lokaalilla osoitteella (L2) Välitys tapahtuu lokaaleilla osoitteilla M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (34/38)
Virtuaalipiirivälitys M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (35/38) 1 6 3 2 4 5 Virtuaalipiirivälitys M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (36/38) 3 2 0 1 7 3 2 0 1 Tulojohto Osoite Lähtöjohto Osoite 1 3 3 9 2 4 3 5 3 5 1 7 3 7 2 3 5 3 3 0 1 1 2
Virtuaalipiirivälitys M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (37/38) Etuja Osoite kiinteän mittainen ja pienempi Välitys mahdollista toteuttaa raudalla Mahdollistaa resurssien varauksen (esim ATM) Haittoja Yhteyden pystyttäminen vaatii RTT:n mittaista aikaa ennen kuin varsinainen datan siirto voi alkaa Jos jokin verkon komponenteista vioittuu (virhetila), joudutaan yhteys pystyttämään uudestaan Yhteenveto M.Sc.(Tech.) Marko Luoma (38/38) Verkon sisäiset toiminteet ovat OSI mallin kolmella ensimmäisellä kerroksella L2 ja L3 ovat vastuussa verkon osoitehierarkiasta L2 linkkikohtaisesti L3 verkonlaajuisesti Välitystavat hyödyntävät osoitteita, joko Pelkästään L3:lla Sekä L3:lla ja L2:lla Kolme keskeistä prosessia: Reititys: luodaan tietokanta, joka kuvaa minkä linkin kautta mikin kohde on saavutettavissa Välitys: saapuneen paketin kohdeosoitteen perusteella etsitään reititystietokannasta oikea linkki Kytkentä: siirretään saapunut paketti kyseiselle linkille (tai linkin puskuriin, jos linkki on varattu)