Chapter 5 Link Layer and LANs A te on the use of these ppt slides: We re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They re in PowerPoint form so you can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following: If you use these slides (e.g., in a class) in substantially unaltered form, that you mention their source (after all, we d like people to use our book!) If you post any slides in substantially unaltered form on a www site, that you te that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and te our copyright of this material. Thanks and enjoy! JFK/KWR All material copyright 1996-2004 J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved Computer Networking: A Top Down Approach Featuring the Internet, 3 rd edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July 2004. Siirtoyhteyskerros (3/3) 1 Siirtoyhteyskerros Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Ethernet Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: ja MPLS Langattomat verkot Siirtoyhteyskerros (3/3) 2 1
Pisteestä-pisteeseen-linkit Yksi lähettäjä, yksi vastaattaja, yksi linkki: yksinkertaisempi kuin yleislähetyskanava esim. modeemi, ISDN Esimerkiksi PPP (point-to-point protocol) ennen lähetystä solmujen täytyy konfiguroida linkki (samaan tapaan kuin TCP-yhteys) PPP-kehys: erotin eivät (yleensä) käytössä CRC erotin byte stuffing: jos erotin-tavu esiintyy datassa, sen eteen lisätään escape-tavu 01111101 Siirtoyhteyskerros (3/3) 3 Siirtoyhteyskerros Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Ethernet Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: ja MPLS Langattomat verkot Siirtoyhteyskerros (3/3) 4 2
Internet: verkkojen virtualisointi Mitä virtualisoidaan? Kaksi osoitteistusta: Internet ja paikallinen verkko Uusi kerros (IP) yhdistää paikalliset verkot yhtenäisellä verkkokerroksella Paikallinen verkkoteklogia: kaapeli, satelliitti, modeemi, nykyisin:, MPLS Teklogia näkymätön IP-verkkokerrokselle näyttää siirtoyhteyskerroksen teklogialta IP:lle! Siirtoyhteyskerros (3/3) 5 Asynchrous Transfer Mode () Tekniset juuret puhelinmaailmassa Pakettikytkentäinen virtuaalipiiriverkko kiinteän mittaiset paketit, solut (5 + 48 tavua) Erilaiset palvelumallit, osoitteistus ja reititys kuin Internetissä Oma verkkoteklogiansa päästä-päähän-tiedonsiirrolle Mutta: käytetään runkoverkon IP-reitittimien yhdistämiseen IP-over- IP network network Siirtoyhteyskerros (3/3) 6 3
: palvelumallit Network Architecture Service Model Bandwidth Guarantees? Loss Order Timing Congestion feedback Internet best effort CBR VBR ABR UBR ne constant rate guaranteed rate guaranteed minimum ne (inferred via loss) congestion congestion Siirtoyhteyskerros (3/3) 7 : arkkitehtuuri AAL-kerros ( adaptation layer) vain -verkon reunalla (päätelaitteissa) suunnilleen analoginen Internetin kuljetuskerroksen kanssa -kerros solujen forwardointi, reititys analoginen Internetin verkkokerroksen kanssa Fyysinen kerros Siirtoyhteyskerros (3/3) 8 4
IP-over- Vain IP LAN-segmenttejä (esim. Ethernet) MAC- ja IP-osoitteet IP-over- LAN-segmentti korvattu -verkolla - ja IP- osoitteet network Ethernet LANs Ethernet LANs Siirtoyhteyskerros (3/3) 9 IP-over- application transport IP Ethernet physical IP AAL Eth phy phy phy phy application transport IP AAL physical Siirtoyhteyskerros (3/3) 10 5
Multiprotocol Label Switching (MPLS) Alkuperäinen tavoite: peutetaan forwardointia lainataan virtuaalipiiriverkkojen ominaisuuksia käytetään kiinteän mittaista tunnusta (label) forwardointiin IP-osoitteen sijaan mutta rmaali IP-reititys tarvitaan edelleen taustalle! Kehitettiin myös sopimaan -ympäristöihin jatkaa vanhojen -verkkojen elinikää PPP or Ethernet header MPLS header IP header remainder of link-layer frame label Exp S TTL 20 3 1 8 Siirtoyhteyskerros (3/3) 11 MPLS: forwardointitaulukot in out out label label dest interface 10 A 0 12 D 0 8 A 1 in out out label label dest interface 10 6 A 1 12 9 D 0 R6 R5 R4 0 R2 in out out label label dest interface 1 8 6 A 0 R3 0 0 1 D 0 A in out R1 out label label dest interface 6 - A 0 Siirtoyhteyskerros (3/3) 12 6
Siirtoyhteyskerros Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Ethernet Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: ja MPLS Langattomat verkot Siirtoyhteyskerros (3/3) 13 Langattomien verkkojen elementit (1) network infrastructure langattomat päätelaitteet laptop, PDA, IP-puhelin ajetaan sovelluksia voi olla paikallaan pysyvä tai liikkuva langattomuus ei aina tarkoita mobiliteettia Siirtoyhteyskerros (3/3) 14 7
Langattomien verkkojen elementit (2) network infrastructure tukiasema tyypillisesti yhdistetty langalliseen verkkoon lähettää paketit langallisen verkon ja alueellaan olevan langattoman päätelaitteen välillä esim. 802.11 access points Siirtoyhteyskerros (3/3) 15 Langattomien verkkojen elementit (3) network infrastructure langaton linkki tyypillisesti yhdistää mobiilin tukiasemaan käytetään myös runkoverkon linkkinä monipääsyprotokollat koordiivat linkille pääsyä erilaisia kastanleveyksiä ja siirtoetäisyyksiä Siirtoyhteyskerros (3/3) 16 8
Langattomien verkkojen elementit (4) network infrastructure infrastruktuuri-moodi tukiasema yhdistää mobiilit langalliseen verkkoon handoff: mobiili vaihtaa yhteyden tarjoavaa tukiasemaa Siirtoyhteyskerros (3/3) 17 Langattomien verkkojen elementit (5) ad hoc -moodi ei tukiasemia solmut voivat lähettää vain kantomatkan ulottuvilla oleville solmuille solmut organisoivat itsensä verkoksi: reitittävät keskenään Siirtoyhteyskerros (3/3) 18 9
Langattomien linkkien ominaisuuksia Erot langallisiin linkkeihin vaimeneva signaalin voimakkuus: radiosignaali vaimenee, kun se etenee väliaineen läpi häiriöt muista lähteistä: langattomien verkkojen taajuusalueita (esim. 2.4 GHz) jaetaan muiden laitteiden kanssa (esim. puhelimet) monitie-eteneminen: radiosignaali heijastuu esteistä ja saapuu kohteeseen hieman eri aikoina tekevät kommunikaation (jopa pisteestä-pisteeseen) paljon vaikeammaksi kuin langallisissa linkeissä Siirtoyhteyskerros (3/3) 19 Langattomien verkkojen ominaisuuksia Useampi langaton lähettäjä ja vastaattaja aiheuttaa lisäongelmia (monipääsyn lisäksi): C A B C A B A s signal strength C s signal strength Piilotetun päätelaitteen (hidden terminal) ongelma: B ja A kuulevat toisiaan B ja C kuulevat toisiaan A ja C eivät voi kuulla toisiaan -> A ja C eivät tiedä toistensa aiheuttamista häiriöistä B:lle space Signaalin vaimeneminen: B ja A kuulevat toisiaan B ja C kuulevat toisiaan A ja C eivät voi kuulla toisiaan, mutta häiritsevät B:tä Siirtoyhteyskerros (3/3) 20 10
802.11 Wireless LAN (WLAN) Useamman standardin perhe Kaikki käyttävät CSMA/CA:ta monipääsyyn Kaikista on sekä base-station- että ad-hoc-versiot 802.11a 5.7 GHz < 54 Mbps 802.11b 2.4 GHz < 11 Mbps 802.11g 2.4 GHz < 54 Mbps Siirtoyhteyskerros (3/3) 21 802.11: LAN-arkkitehtuuri Internet Langaton päätelaite kommunikoi tukiaseman kanssa BSS 1 AP hub, switch or router AP base station = access point (AP) Basic Service Set (BSS) infrastruktuurimoodissa: päätelaitteet ja tukiasema ad hoc -moodi: vain päätelaitteet BSS 2 Siirtoyhteyskerros (3/3) 22 11
802.11: kanavat 802.11b: 2.4GHz-2.485GHz taajuusalue jaettu 11 kanavaan eri taajuuksilla AP:n ylläpitäjä valitsee taajuuden AP:lle häiriöt mahdollisia: naapuri AP:lla voi olla sama kanava! Päätelaitteen täytyy liittyä (associate) jonkin AP:n aliverkkoon käy läpi kanavia, kuuntelee majakkakehyksiä (beacon frames), joissa AP:n nimi ja MAC-osoite valitsee AP:n voidaan suorittaa todennus (autentikointi) käyttää tyypillisesti DHCP:tä saadakseen IP-osoitteen AP:n aliverkossa Siirtoyhteyskerros (3/3) 23 802.11: monipääsy 802.11: CSMA - kuunnellaan ennen lähetystä ei lähetetä, jos toinen solmu lähettää 802.11: ei törmäyksen havaitsemista! vaikea vastaattaa (havaita törmäyksiä) kun lähetetään, koska signaalit voivat olla heikkoja (vaimeneminen) ei voida havaita kaikkia törmäyksiä: hidden terminal vältetään törmäyksiä: CSMA/C(ollision)A(voidance) C A B C A B A s signal strength C s signal strength space Siirtoyhteyskerros (3/3) 24 12
802.11: CSMA/CA Lähettäjä Jos kanava havaitaan vapaaksi odotetaan aika DIFS (distributed interframe spacing) jos sen jälkeen edelleen vapaana, lähetetään koko kehys Jos kanava varattuna odotetaan DIFS:n lisäksi satunnainen aika (backoff interval) ja yritetään lähetystä uudelleen jos ei saada kuittausta lähetettyyn kehykseen, kasvatetaan backoff-aikaa Vastaattaja Jos kehys vastaatetaan OK odotetaan aika SIFS (short interframe spacing) ja lähetetään kuittaus DIFS sender data ACK receiver SIFS Siirtoyhteyskerros (3/3) 25 Törmäysten välttäminen: RTS-CTS Idea: lähettäjä varaa kanavan sen sijaan, että lähettää kehyksiä satunnaisesti: vältetään pitkien kehysten törmäykset Lähettäjä lähettää ensin pieniä RTS-paketteja (request-tosend) vastaattajalle käyttäen CSMA:ta RTS:t voivat törmätä toisiinsa (mutta ne ovat lyhyitä) Vastaattaja lähettää CTS-viestin (clear-to-send) vastauksena RTS:ään Kaikki solmut kuulevat RTS:n lähettäjä lähettää kehyksen muut solmut eivät lähetä samaan aikaan Vältetään törmäykset käyttäen pieniä varauspaketteja! Siirtoyhteyskerros (3/3) 26 13
802.11: CSMA/CA ja RTS-CTS A AP B reservation collision DATA (A) defer time Siirtoyhteyskerros (3/3) 27 802.11: kehys mm. kehyksen tyyppi (RTS, CTS, ACK, data) varatun lähetysajan kesto (RTS/CTS) frame control 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 duration address 1 address 2 address 3 seq control address 4 payload CRC Address 1: vastaattajan MAC-osoite (päätelaite tai tukiasema) Address 4: käytetään vain ad hoc -moodissa Address 3: tukiasemaan liitetyn reitittimen MAC-osoite Address 2: lähettäjän MAC-osoite (päätelaite tai tukiasema) Siirtoyhteyskerros (3/3) 28 14
802.11: osoitteistus H1 R1 router Internet AP R1 MAC addr AP MAC addr dest. address source address 802.3 frame AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr address 1 address 2 address 3 802.11 frame Siirtoyhteyskerros (3/3) 29 802.11: liikkuvuus samassa aliverkossa H1 pysyy samassa IPaliverkossa: IP-osoite voi pysyä samana Mistä kytkin tietää, mihin AP:hen H1 on liittynyt? itseoppiminen: kytkin näkee kehyksen H1:ltä ja muistaa, minkä liitynnän kautta H1 voidaan saavuttaa BBS 1 router switch AP 1 AP 2 H1 BBS 2 Siirtoyhteyskerros (3/3) 30 15
Siirtoyhteyskerros: Yhteenveto Siirtoyhteyskerroksen palvelujen periaatteet: virheiden havaitseminen ja korjaaminen yleislähetyskanavan jakaminen: monipääsy siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Siirtoyhteyskerroksen teklogioita Ethernet kytketyt LANit virtualisoidut verkot linkkeinä WLAN Siirtoyhteyskerros (3/3) 31 16