Chapter 5: Link layer

Chapter 5: Link layer our goals: understand principles behind link layer services: error detection, correction sharing a broadcast channel: multiple access link layer addressing local area networks: Ethernet, VLANs instantiation, implementation of various link layer technologies Link Layer 5-1

Luku 5: Linkkikerros tavoitteemme: ymmärtää linkkikerroksen palveluiden periaatteet: virheen etsintä, korjaus Yleislähetyskanavan jakaminen: monipääsy linkkikerroksen käsittely paikalliset verkot: Ethernet, VLANit ilmentymän luonti, useiden linkkikerrosten teknologioiden toteutus Link Layer 5-2

Link layer, LANs: outline 5.1 introduction, services 5.5 link virtualization: MPLS 5.2 error detection, 5.6 data center correction networking 5.3 multiple access 5.7 a day in the life of a protocols web request 5.4 LANs addressing, ARP Ethernet switches VLANS Link Layer 5-3

Linkkikerros, LANit: yleiskatsaus 5.1 esittely, palvelut 5.2 virheenetsintä, korjaus 5.3 monipääsyprotokollat 5.4 LANit 5.5 linkin virtualisaatio: MPLS 5.6 datakeskusverkottuminen 5.7 päivä verkkopyynnön elämässä osoittaminen, ARP Ethernet kytkimet VLANit Link Layer 5-4

Link layer: introduction terminology: hosts and routers: nodes communication channels that connect adjacent nodes along communication path: links wired links wireless links LANs layer-2 packet: frame, encapsulates datagram data-link layer has responsibility of transferring datagram from one node to physically adjacent node over a global ISP Link Layer 5-5

Linkkikerros: esittely terminologia: hostit ja reitittimet: solmut kommunikointikanavat, jotka yhdistävät rinnakkaiset solmut kommunikointireitillä: linkit johdolliset linkit langattomat linkit LANit 2-kerroksen paketti: linkkikehys, tiivistää datagrammin global ISP data-linkkikerroksella on vastuu datagrammin siirrosta yhdestä solmusta fyysisesti vierekkäiseen solmuun linkin yli Link Layer 5-6

Link layer: context datagram transferred by different link protocols over different links: e.g., Ethernet on first link, frame relay on intermediate links, 802.11 on last link each link protocol provides different services e.g., may or may not provide rdt over link transportation analogy: trip from Princeton to Lausanne limo: Princeton to JFK plane: JFK to Geneva train: Geneva to Lausanne tourist = datagram transport segment = communication link transportation mode = link layer protocol travel agent = routing algorithm Link Layer 5-7

Linkkikerros: konteksti datagrammin siirto eri linkkiprotokollilla eri linkkien yli: esim. Ethernet ensimmäisenä linkkinä, linkkikehys välittää välilinkeille, 802.11 viimeiselle linkille jokainen linkkiprotokolla tarjoaa erilaisia palveluita esim. saattaa tai saattaa olla tarjoamatta rdt:tä linkin yli kuljetusanalogia: matka Princetonista Lausanneen limusiini: Princetonista JFK:lle lentokone: JFK:lta Geneveen juna: Genevestä Lausanneen turisti = datagrammi matkan osa = kommunikaatiolinkki kuljetustapa = linkkikerroksen protokolla matkatoimisto = reititysalgoritmi Link Layer 5-8

Link layer services framing, link access: reliable delivery between adjacent nodes encapsulate datagram into frame, adding header, trailer channel access if shared medium MAC addresses used in frame headers to identify source, dest different from IP address! we learned how to do this already (chapter 3)! seldom used on low bit-error link (fiber, some twisted pair) wireless links: high error rates Q: why both link-level and end-end reliability? Link Layer 5-9

Linkkikerroksen palvelut linkkikehystys, pääsy linkkiin: tiivistää datagrammin kehykseen, lisää otsikon, trailerin pääsy kanavalle, jos jaettu media MAC osoitteita käytetään linkkikehysten otsikoissa lähteen ja määränpään tunnistamiseksi eroaa IP-osoitteesta! luotettava kuljetus vierekkäisten solmujen välillä olemme jo oppineet miten tämä tehdään (luku 3)! harvoin käytössä matalan bittivirheen linkeissä (kuitu, jotkut kierreparit) langattomat linkit: korkeat virhemäärät K: miksi sekä linkkitasolla että loppu-loppu luotettavuudessa? Link Layer 5-10

Link layer services (more) flow control: pacing between adjacent sending and receiving nodes error detection: errors caused by signal attenuation, noise. receiver detects presence of errors: signals sender for retransmission or drops frame error correction: receiver identifies and corrects bit error(s) without resorting to retransmission half-duplex and full-duplex with half duplex, nodes at both ends of link can transmit, but not at same time Link Layer 5-11

Linkkikerroksen palvelut (jatkoa) virranhallinta: rytmitystä vierekkäisten lähettävin ja vastaanottavien solmujen välillä virheen huomiointi: signaalin vaimennuksen aiheuttamat virheet, häiriöt vastaanottajaa huomaa virheen olemassaolon: viestittää lähettäjälle uudelleenlähetyksestä tai pudottaa kehyksen virheen korjaus: vastaanottaja tunnistaa ja korjaa bittivirhee(t)n ilman uudelleenlähetykseen turvautumista yksisuuntainen tai kaksisuuntainen liikenne yksisuuntaisella, linkin molemmissa päissä olevat solmut voivat lähettää, mutta eivät samanaikaisesti Link Layer 5-12

Where is the link layer implemented? in each and every host link layer implemented in adaptor (aka network interface card NIC) or on a chip Ethernet card, 802.11 card; Ethernet chipset implements link, physical layer attaches into host s system buses combination of hardware, software, firmware application transport network link link physical cpu memor y control ler host bus (e.g., PCI) physical transmission network adapter card Link Layer 5-13

Missä linkkikerros on toteutettu? jokaisessa hostissa linkkikerros toteutettu adapterissa (eli verkkokortissa NIC) tai sirulla Ethernet kortti, 802.11 kortti; Ethernet sirusetti toteuttaa linkin, fyysisen kerroksen kiinnittyy hostin systeemiväyliin yhdistelmä rautaa, softaa ja firmistä application transport network link link physical cpu memor y control ler host bus (e.g., PCI) physical transmission network adapter card Link Layer 5-14

Adaptors communicating datagram datagram controll er controll er receiving host sending host datagram frame sending side: encapsulates datagram in frame adds error checking bits, rdt, flow control, etc. receiving side looks for errors, rdt, flow control, etc extracts datagram, passes to upper layer at receiving side Link Layer 5-15

Adapterit kommunikoi datagram datagram controll er controll er receiving host sending host datagram frame vastaanottava puoli lähettävä puoli: etsii virheitä, rdt:tä, tiivistää datagrammin virranhallintaa, jne. kehykseen purkaa datagrammin, lisää virheenetsintäosat, rdt: lähettää ylemmille kerroksille n, virranhallinnan jne. vastaaottavassa päässä Link Layer 5-16

Pure (unslotted) ALOHA unslotted Aloha: simpler, no synchronization when frame first arrives transmit immediately collision probability increases: frame sent at t0 collides with other frames sent in [t0-1, t0+1] Link Layer 5-17

Puhdas (jaottelematon) ALOHA jaoittelematon Aloha: yksinkertaisempi, ei synkronisaatiota kun kehys ensin saapuu lähetys välittömästi törmäyksen mahdollisuus nousee: kehys lähetettynä ajassa t0 törmää muihin kehyksiin, jotka lähetetty ajassa [t0-1,t0+1] Link Layer 5-18

Linkkikerros, LANit: yleiskatsaus 5.1 esittely, palvelut 5.2 virheenetsintä, korjaus 5.3 monipääsyprotokollat 5.4 LANit 5.5 linkin virtualisaatio: MPLS 5.6 datakeskusverkottuminen 5.7 päivä verkkopyynnön elämässä osoittaminen, ARP Ethernet kytkimet VLANit Link Layer 5-20

Multiple access protocols single shared broadcast channel two or more simultaneous transmissions by nodes: interference collision if node receives two or more signals at the same time multiple access protocol distributed algorithm that determines how nodes share channel, i.e., determine when node can transmit communication about channel sharing must use channel itself! no out-of-band channel for coordination Link Layer 5-21

Monipääsy protokollat yksi yhteinen yleislähetyskanava kahden tai useamman silmukan samanaikainen lähetys: häiriö törmäys jos silmukka vastaanottaa samanaikaisesti kaksi tai useamman signaalin monipääsy protokolla Hajautettu algoritmi, joka määrittelee kuinka solmut jakavat kanavan, eli määrittää sen milloin solmu voi lähettää kommunikointi kanavasta pitää jakaa itse kanavaa ei out-of-band kanavaa koordinointiin Link Layer 5-22

An ideal multiple access protocol given: broadcast channel of rate R bps desiderata: 1. when one node wants to transmit, it can send at rate R. 2. when M nodes want to transmit, each can send at average rate R/M 3. fully decentralized: no special node to coordinate transmissions no synchronization of clocks, slots 4. simple Link Layer 5-23

Ihanteellinen monipääsy protokolla annettu: lähetyskanava nopeudella R bps toiveet: 1. kun solmu haluaa lähettää, se voi lähettää nopeudella R. 2. kun M määrä solmuja haluaa lähettää, jokainen voi lähettää keskiarvo nopeudella R/M 3. täysin hajautettu: ei erityistä solmua koordinoimaan lähetyksiä ei kellojen synkronointia, aukot 4. yksinkertainen Link Layer 5-24

MAC protocols: taxonomy three broad classes: channel partitioning divide channel into smaller pieces (time slots, frequency, code) allocate piece to node for exclusive use random access channel not divided, allow collisions recover from collisions taking turns nodes take turns, but nodes with more to send can take longer turns Link Layer 5-25

MAC protokollat: luokittelu kolme laajaa luokkaa: kanavan ositus jakaa kavanan pienempiin palasiin (aika aukot, taajuus, koodi) jakaa palan solmun käyttöön satunnainen pääsy kanava ei jaettu, mahdollisuus törmäyksiin palautuminen törmäyksistä vuorottelu solmut vuorottelevat, mutta solmut jotka lähettävät enemmän voivat ottaa pidempiä vuoroja Link Layer 5-26

Channel partitioning MAC protocols: TDMA TDMA: time division multiple access access to channel in "rounds" each station gets fixed length slot (length = pkt trans time) in each round unused slots go idle example: 6-station LAN, 1,3,4 have pkt, slots 2,5,6 idle 6-slot frame 6-slot frame 1 3 4 1 3 4 Link Layer 5-27

Kanavan hallinta MAC protokollat: TDMA TDMA: time division multiple access pääsy kanaviin "kierroksittain" jokainen asema saa sovitun pitusen raon (pituus = pkt lähetys aika) jokaisella kieroksella käyttämättömat raot jäävät odottamaan esim: 6-station LAN, 1,3,4 have pkt, slots 2,5,6 idle 6-slot frame 6-slot frame 1 3 4 1 3 4 Link Layer 5-28

Channel partitioning MAC protocols: FDMA FDMA: frequency division multiple access channel spectrum divided into frequency bands each station assigned fixed frequency band unused transmission time in frequency bands go idle example: 6-station LAN, 1,3,4 have pkt, frequency bands 2,5,6 idle FDM cable frequency bands time Link Layer 5-29

Kanavan hallinta MAC protokollat: FDMA FDMA: frequency division multiple access kanava spektri jaetaan taajuusalueille kullekin asemalle osoitettu kiinteä tajuuskaista käyttämätön lähetysaika taajuusalueilla jää odottamaan esim: 6-station LAN, 1,3,4 have pkt, frequency bands 2,5,6 idle FDM cable frequency bands time Link Layer 5-30

Random access protocols when node has packet to send transmit at full channel data rate R. no a priori coordination among nodes two or more transmitting nodes collision, random access MAC protocol specifies: how to detect collisions how to recover from collisions (e.g., via delayed retransmissions) examples of random access MAC protocols: slotted ALOHA ALOHA CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA Link Layer 5-31

Satunnaiset pääsyprotokollat kun solmulla on paketti lähetettävänä lähettää täydellä kavana datanopeudella R. lähtökohtaisesti solmujen kesken ei koordinointia kaksi tai useampi lähettävää solmua törmäys, satunnaiset MAC protokolla määrittää: miten havaita törmäykset miten palautua törmäyksestä (e.g., myöhästyneiden uudelleenlähetysten kautta) esimerkkejä satunnaisista MAC pääsyprotokollista: slotted ALOHA ALOHA CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA Link Layer 5-32

Slotted ALOHA assumptions: all frames same size time divided into equal size slots (time to transmit 1 frame) nodes start to transmit only slot beginning nodes are synchronized if 2 or more nodes transmit in slot, all nodes detect collision operation: when node obtains fresh frame, transmits in next slot if no collision: node can send new frame in next slot if collision: node retransmits frame in each subsequent slot with prob. p until success Link Layer 5-33

Slotted ALOHA operaatio: oletukset: kaikki kehykset samankokoisia kun solmu pääsee uuteen kehykseen, lähetys seuraavassa aika jaettu samankokoisiksi aika raossa raoiksi (yhden kehyksen lähetysaika) jos ei törmäystä: solmu pystyy lähettämään uuden kehyksen solmut alkavat välittää vain raon alussa seuraavassa raossa solmut ovat synkronoituja törmäys: solmu uudelleenlähettää kehyksen jos 2 tai useampi solmu lähettää aina seuraavassa raossa niin raossa, kaikki solmut kohtaavat törmäyksen pitkään kunnes onnistuu Link Layer 5-34

Slotted ALOHA node 1 1 1 node 2 2 2 node 3 3 C Pros: 1 1 2 3 E C S E single active node can continuously transmit at full rate of channel highly decentralized: only slots in nodes need to be in sync simple C 3 E S S Cons: collisions, wasting slots idle slots nodes may be able to detect collision in less than time to transmit packet clock synchronization Link Layer 5-35

Slotted ALOHA node 1 1 1 node 2 2 2 node 3 3 C 1 1 2 3 E C S Plussat: yksi aktiivinen solmu voi lähettää jatkuvasti kanavan täydellä nopeudella erittäin hajautettu: vain raot solmuissa oltava synkassa yksinkertainen E C 3 E S S Miinukset: törmäykset, rakojen tuhlaus odotustilassa olevat raot solmut voivat käyttää aikaa törmäyksien havaitsemiseen enemmän kuin paketin lähettämiseen kello synkronisaatio Link Layer 5-36

Slotted ALOHA: efficiency efficiency: long-run fraction of successful slots (many nodes, all with many frames to send) suppose: N nodes with many frames to send, each transmits in slot with probability p prob that given node has success in a slot = p(1-p) N-1 prob that any node has a success = Np(1-p)N-1 max efficiency: find p* that maximizes Np(1-p)N-1 for many nodes, take limit of Np*(1-p*)N-1 as N goes to infinity, gives: max efficiency = 1/e =.37 at best: channel used for useful transmissions 37% of time!! Link Layer 5-37

Slotted ALOHA: tehokkuus tehokkuus: pitkän aikavälin osuus onnistuneista lähdöistä (monta solmua, joissa kaikissa on useita kehyksiä lähetettävänä) oletus: N solmut joilla on monta kehystä lähetettävänä lähettää roista todennäköisyydellä p annettulla todennäköisyydellä onnistuminen raossa on = p(1p)n-1 todennäköisyys mikä millä tahansa solmulla on = Np(1-p) N-1 max tehokkuus: löydä p* joka maksimoi Np(1-p)N-1 monille solmuille, ota raja Np* (1-p*)N-1 jossa N menee ääretömyyteen, antaa: max tehokkuus = 1/e =.37 at best: kanavassa 37 % käytetystä ajasta menee onnistuneisiin lähetyksiin.! Link Layer 5-38

Pure (unslotted) ALOHA unslotted Aloha: simpler, no synchronization when frame first arrives transmit immediately collision probability increases: frame sent at t0 collides with other frames sent in [t0-1, t0+1] Link Layer 5-39

Puhdas (unslotted) ALOHA unslotted Aloha: yksinkertainen, synkronoimaton Kun kehys ensimmäisen kerran saapuu siirretään saman tien törmäyksen mahdollisuus kasvaa:: kehys lähetetty t0 törmää muiden kehyksien kanssa, jotka on lähetetty [t0-1,t0+1] Link Layer 5-40

Pure ALOHA efficiency P(success by given node) = P(node transmits). P(no other node transmits in [t0-1,t0]. P(no other node transmits in [t0-1,t0] = p. (1-p)N-1. (1-p)N-1 = p. (1-p)2(N-1) choosing optimum p and then letting n = 1/(2e) =.18 even worse than slotted Aloha! Link Layer 5-41

Puhdas ALOHA tehokkuus P(menestys annetuilla solmulla) = P(solmun lähetys). P(ei muiden solmujen lähetystä [t0-1,t0]. P(ei muiden solmujen lähetystä [t0-1,t0] = p. (1-p)N-1. (1-p)N-1 = p. (1-p)2(N-1) choosing optimum p and then letting n = 1/(2e) =.18 jopa huonompi kun luukutettu Aloha! Link Layer 5-42

CSMA (carrier sense multiple access) CSMA: listen before transmit: if channel sensed idle: transmit entire frame if channel sensed busy, defer transmission human analogy: don t interrupt others! Link Layer 5-43

CSMA (carrier sense multiple access) CSMA: kuuntelee enne lähetystä: jos kanava tunnistetaan toimettomaksi: lähetetään koko runko jos kanava on kiirreellinen, lykkää lähetys ihmisanalogia: älä keskeytä muita! Link Layer 5-44

CSMA collisions spatial layout of nodes collisions can still occur: propagation delay means two nodes may not hear each other s transmission collision: entire packet transmission time wasted distance & propagation delay play role in in determining collision probability Link Layer 5-45

CSMA törmäys spatial layout of nodes törmäykset voivat esiintyä: levityksen viistästys tarkoittaa kahen solmun keskeiset kuuluvuus -ongelmat törmäys: koko pakettilähetyksen aika hukattu etäisyys & etemisen viive osallisia törmäysten todennäköisyydessä Link Layer 5-46

CSMA/CD (collision detection) CSMA/CD: carrier sensing, deferral as in CSMA collisions detected within short time colliding transmissions aborted, reducing channel wastage collision detection: easy in wired LANs: measure signal strengths, compare transmitted, received signals difficult in wireless LANs: received signal strength overwhelmed by local transmission strength human analogy: the polite conversationalist Link Layer 5-47

CSMA/CD (törmäyksen ilmaiseminen) CSMA/CD: kantimen tunnistus, jaksotus kuten CSMA törmäys havaittu lyhyessä ajassa törmäävät lähetykset peruttu, vähentää kanavan poistumaa törmäyksen ilmaiseminen: helppoa jos wired LAN: laskee signaalivoimakkuuden, vertaa lähetykset, vastaanotettu signaali vaikeuksia laajakaisessa: vastaanotettu signaalivoimakkuus ylikuormittuu paikallisen lähetyksen voimakkuudella human analogy: the polite conversationalist Link Layer 5-48

CSMA/CD (collision detection) spatial layout of nodes Link Layer 5-49

CSMA/CD (collision detection) spatial layout of nodes Link Layer 5-50

Ethernet CSMA/CD algorithm 1. NIC receives datagram from network layer, creates frame 2. If NIC senses channel idle, starts frame transmission. If NIC senses channel busy, waits until channel idle, then transmits. 3. If NIC transmits entire frame without detecting another transmission, NIC is done with frame! 4. If NIC detects another transmission while transmitting, aborts and sends jam signal 5. After aborting, NIC enters binary (exponential) backoff: after mth collision, NIC chooses K at random from {0,1,2,, 2m-1}. NIC waits K 512 bit times, returns to Step 2 longer backoff interval with more collisions Link Layer 5-51

Ethernet CSMA/CD algoritmi 1. NIC vastaanottaa 4. Jos NIC huomaa toisen datagrammin lähetyksen lähetyksen verkkotasolta, luo rungon kesken, peruu ja lähettää häirityssignaalia 2. Jos NIC tunnistaa kanavan toimettomaksi, 5. Peruumisen jälkeen, NIC aloittaa rungon lähetystä. --> binary (exponential) Jos NIC tunnistaa kavan backoff: kiirreelliseksi, odottaa Arvotaan odotusaikaa pidemmäksi, jotta kunnes toimeton. todennäköisyys törmäykselle 3. jos NIC lähettää koko olisi pienempi rungon ilman toista lähetystä, NIC on valmis rungolla! Link Layer 5-52

CSMA/CD efficiency Tprop = max prop delay between 2 nodes in LAN ttrans = time to transmit max-size frame efficiency goes to 1 as tprop goes to 0 as ttrans goes to infinity better performance than ALOHA: and simple, cheap, decentralized! Link Layer 5-53

CSMA/CD efficiency Tprop = max tod. viive kahden solmun välissä LANissa ttrans = aika, rungon maksimiko on lähetys tehokkuus--> 1 kun tprob-->0 kun ttrans -->ääretön parempi suoritus kun ALOHA: yksinkertainen, halpa ja hajautettu! Link Layer 5-54

Taking turns MAC protocols channel partitioning MAC protocols: share channel efficiently and fairly at high load inefficient at low load: delay in channel access, 1/N bandwidth allocated even if only 1 active node! random access MAC protocols efficient at low load: single node can fully utilize channel high load: collision overhead taking turns protocols look for best of both worlds! Link Layer 5-55

Vuoroteltu MAC protokolli kanava jakaa MAC protokollat: jakaa kanavan reilusti ja tehokkaasti korkealla latauksella tehoton alaisella latauksella: viive kanavalle päsyssä, 1/N siirtonopeus kohdistettu vaikka yksi solmu aktiivinen! satunnaisen pääsyn MAC protokollat tehokkaat alaisella latauksella: yksittäinen solmu voi hyödyntää kokonaan kanavaa korkea lataus: törmäykset yläpuoliset vuorottelu protokollat etsii parasta molemmista! Link Layer 5-56

Taking turns MAC protocols polling: master node invites slave nodes to transmit in turn typically used with dumb slave devices concerns: polling overhead latency single point of failure (master) data poll master data slaves Link Layer 5-57

Taking turns MAC protocols kiertokysely: hallinta-asema kutsuu ala-solmut lähettämään vuorotellen typically used with dumb slave devices concerns: polling overhead latency single point of failure (master) data poll master data slaves Link Layer 5-58

Taking turns MAC protocols token passing: control token passed from one node to next sequentially. token message concerns: token overhead latency single point of failure (token) T (nothing to send) T data Link Layer 5-59

Taking turns MAC protocols vuorovaltuutus: kontrolloi valtuuden, siiretty solmulta seuraavalle peräkkäin. valtuusviesti huolia: token overhead viive single point of failure (token) T (nothing to send) T data Link Layer 5-60

Cable access network Internet frames,tv channels, control transmitted downstream at different frequencies cable headend CMTS cable modem termination system IS P splitter cable modem upstream Internet frames, TV control, transmitted upstream at different frequencies in time slots multiple 40Mbps downstream (broadcast) channels single CMTS transmits into channels multiple 30 Mbps upstream channels multiple access: all users contend for certain upstream channel time slots (others assigned)

Kaapeliyhteysverkko Internet-ruutuja,TV kanavia, hallinta välitetty alavirtaan eri taajuuksilla kaapelikeskusyksikkö CMTS jakaja kaapelimodeemi kaapelimodeemit päättävä keskitin ISP ylävirtaan Internet-ruutuja, TV-hallinta, välitetty ylävirtaan eri taajuuksilla eri aikoina useita 40Mbps alavirtaan meneviä (lähetys) kanavia yksittäinen CMTS välittää kanaviksi useita 30 Mbps ylävirtaan meneviä kanavia moninkertainen yhteys: kaikki käyttäjät taistelevat tietyistä ylävirtakanavien ajoista (muut määrätty)

Cable access network cable headend MAP frame for Interval [t1, t2] Downstream channel i CMTS Upstream channel j t1 Minislots containing minislots request frames t2 Residences with cable modems Assigned minislots containing cable modem upstream data frames DOCSIS: data over cable service interface spec FDM over upstream, downstream frequency channels TDM upstream: some slots assigned, some have contention downstream MAP frame: assigns upstream slots request for upstream slots (and data) transmitted random access (binary backoff) in selected slots Link Layer 5-63

Kaapeliyhteysverkko kaapelikeskusyksikkö MAP frame for Interval [t1, t2] alavirtakanava CMTS ylävirtakanava t1 Miniaikavälit sisältäen pyyntöikkunoita t2 Asuntoja kaapelimodeemeilla Määrätyt miniaikavälit sisältäen kaapelimodeemin ylävirran dataikkunoita DOCSIS: määrittelee kaapelitietoverkon arkkitehtuurin ja sen protokollat FDM jakaa ylä- ja alavirran verkkosegmentit useisiin taajuuskanaviin TDM upstream: joitain aikavälejä määrätty, joillain on varaus alavirran MAP kehys: määrää ylävirrana aikavälejä pyynnöt ylävirran aikaväleille (ja datalle) välitetään hajasaantina (binääri jälkileikkaus) valituilla aikaväleillä Link Layer 5-64

Summary of MAC protocols channel partitioning, by time, frequency or code Time Division, Frequency Division random access (dynamic), ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD carrier sensing: easy in some technologies (wire), hard in others (wireless) CSMA/CD used in Ethernet CSMA/CA used in 802.11 taking turns polling from central site, token passing bluetooth, FDDI, token ring Link Layer 5-65

Tiivistelmä MAC-protokollista kanavien ositus, ajan, taajuuden tai koodin perusteella Aikajako, taajuusjako hajasaanti (dynaamista), ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD kantoaallon aistiminen: helppoa joillain teknologioilla (kaapeli), vaikeaa toisilla (langaton) CSMA/CD käytetään Ethernetissä CSMA/CA käytetään 802.11 vuorottelu kiertokysely keskeiseltä sivulta, tunnisteen läpimeno bluetooth, FDDI, tunnisterengas Link Layer 5-66

MAC addresses and ARP 32-bit IP address: network-layer address for interface used for layer 3 (network layer) forwarding MAC (or LAN or physical or Ethernet) address: function: used locally to get frame from one interface to another physically-connected interface (same network, in IP-addressing sense) 48 bit MAC address (for most LANs) burned in NIC ROM, also sometimes software settable e.g.: 1A-2F-BB-76-09-AD hexadecimal (base 16) notation (each number represents 4 bits) Link Layer 5-69

MAC osoitteet ja ARP 32-bittinen IP osoite: verkkokerroksen osoite rajapintaan käytetään 3. kerroksen (verkkokerros) välitykseen MAC (tai LAN, fyysinen tai Ethernet) osoite: tarkoitus: käytetään paikallisesti, jotta saadaan kehys yhdestä rajapinnasta toiseen physically-connected rajapintaan (sama verkko, IP-osoitteen järjellä) 48 bittisille MAC osoitteille (useimmille LANeille) vanhennettu NIC ROM, joskus myös asennettavissa ohjelmistoihin e.g.: 1A-2F-BB-76-09-AD heksadesimaalinen (pohja 16) merkintätapa (jokainen numero kuvastaa 4 bittiä) Link Layer 5-70

LAN addresses and ARP each adapter on LAN has unique LAN address 1A-2F-BB-76-09-AD LAN (wired or wireless) adapter 71-65-F7-2B-08-53 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 Link Layer 5-71

LAN osoitteet ja ARP jokaisella LAN-sovittimella on yksilöllinen LAN osoite 1A-2F-BB-76-09-AD LAN (wired or wireless) sovitin 71-65-F7-2B-08-53 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 Link Layer 5-72

LAN addresses (more) MAC address allocation administered by IEEE manufacturer buys portion of MAC address space (to assure uniqueness) analogy: MAC address: like Social Security Number IP address: like postal address MAC flat address portability can move LAN card from one LAN to another IP hierarchical address not portable address depends on IP subnet to which node is attached Link Layer 5-73

LAN osoitteet (lisää) MAC osoitteiden jakoa hallinnoi IEEE valmistaja ostaa osan MAC osoitetilaa (varmistaakseen yksilöllisyyden) analogia: MAC osoite: kuten sosiaaliturvatunnus IP osoite: kuten postiosoite MAC taso-osoite siirrettävyys LAN-kortin voi siirtää yhdestä LAN:ista toiseen IP hierarkinen osoite ei ole siirrettävä osoite riippuu IP-alaverkosta, ja mihin palvelimeen se on liitetty Link Layer 5-74

ARP: address resolution protocol Question: how to determine interface s MAC address, knowing its IP address? 137.196.7.78 1A-2F-BB-76-09-AD 137.196.7.23 137.196.7.14 LAN 71-65-F7-2B-08-53 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 ARP table: each IP node (host, router) on LAN has table IP/MAC address mappings for some LAN nodes: < IP address; MAC address; TTL> TTL (Time To Live): time after which address mapping will be forgotten (typically 20 min) 137.196.7.88 Link Layer 5-75

ARP: osoitteen resoluutioprotokolla Kysymys: kuinka selvittää rajapinnan MAC osoite, tietäen sen IP osoitteen? 137.196.7.78 1A-2F-BB-76-09-AD 137.196.7.23 137.196.7.14 LAN 71-65-F7-2B-08-53 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 137.196.7.88 ARP taulu: joka IP palvelimella (isäntä, reititin) LAN:issa on taulu IP/MAC osoite kuvastaa LAN palvelimia: < IP osoite; MAC osoite; TTL> TTL (Time To Live): aika jonka jälkeen osoitekuvaus on unohdettu (yleensä 20 min) Link Layer 5-76

ARP protocol: same LAN A wants to send datagram to B B s MAC address not in A s ARP table. A broadcasts ARP query packet, containing B's IP address dest MAC address = FFFF-FF-FF-FF-FF all nodes on LAN receive ARP query B receives ARP packet, replies to A with its (B's) MAC address A caches (saves) IP-toMAC address pair in its ARP table until information becomes old (times out) soft state: information that times out (goes away) unless refreshed ARP is plug-and-play : nodes create their ARP tables without intervention from net administrator frame sent to A s MAC address (unicast) Link Layer 5-77

ARP protokolla: sama LAN A haluaa lähettää tietosähkeen B: lle B:n MAC osoite ei ole A:n ARP taulussa. A lähettää ARP tiedustelupaketin, sisältäen B:n IP osoitteen vast. MAC osoite = FF-FF-FFFF-FF-FF kaikki palvelimet LAN:issa saavat ARP tiedustelun B vastaanottaa ARP paketin, vastaa A:lle MAC osoitteellaan ruutu lähetetty A:n MAC osoitteeseen A laittaa ARP tauluunsa välimuistiin IP-MAC osoiteparin kunnes tieto vanhentuu pehmeä tila: tieto, joka vanhentuu jollei sitä päivitetä ARP on kytke ja pelaa : palvelimet luovat ARP taulunsa ilman verkon ylläpitäjän väliintuloa Link Layer 5-78

Addressing: routing to another LAN walkthrough: send datagram from A to B via R focus on addressing at IP (datagram) and MAC layer (frame) assume A knows B s IP address assume A knows IP address of first hop router, R (how?) assume A knows R s MAC address (how?) A R 111.111.111.111 74-29-9C-E8-FF-55 B 222.222.222.222 49-BD-D2-C7-56-2A 222.222.222.220 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.110 E6-E9-00-17-BB-4B 222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F Link Layer 5-79

Osoitteenmuodostus: reititys toiseen LAN:iin läpipeluu: tietosähkeen lähetys A:lta B:lle R:n kautta painopiste osoitteenmuodostuksessa IP (tietosähke) ja MAC kerros (kehys) oleta, että A tietää B:n IP osoitteen oleta, että A tietää ensimmäisen hypyn routerin IP osoitteen, R (kuinka?) oleta, että A tietää R:n MAC osoitteen (kuinka?) A R 111.111.111.11 174-29-9C-E8-FF55 111.111.111.11 2CC-49-DE-D0-AB7D 222.222.222.22 1A-23-F9-CD-060 9B 111.111.111.11 E6-E9-00-17-BB0 4B B 222.222.222.22 4 29-BD-D2-C7-562A 222.222.222.22 88-B2-2F-54-1A1 0F Link Layer 5-80

Addressing: routing to another LAN A creates IP datagram with IP source A, destination B A creates link-layer frame with R's MAC address as dest, frame contains A-to-B IP datagram MAC src: 74-29-9C-E8-FF-55 MAC dest: E6-E9-00-17-BB-4B IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP Eth Phy A R 111.111.111.111 74-29-9C-E8-FF-55 B 222.222.222.222 49-BD-D2-C7-56-2A 222.222.222.220 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.110 E6-E9-00-17-BB-4B 222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F Link Layer 5-81

Osoittaa: reitittää toiseen LAN:n Luo IP datagrammin IP lähteen A, määränpää B:n kanssa A luo linkkikerrokseen kehyksen R:n MAC osoite määränpäänä, kehys sisältää A:sta B:hen IP datagrammin MAC src: 74-29-9C-E8-FF-55 MAC dest: E6-E9-00-17-BB-4B IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP Eth Phy A B R 111.111.111.11 174-29-9C-E8-FF55 111.111.111.11 2CC-49-DE-D0-AB7D 222.222.222.22 1A-23-F9-CD-060 9B 111.111.111.11 E6-E9-00-17-BB0 4B 222.222.222.22 4 29-BD-D2-C7-562A 222.222.222.22 88-B2-2F-54-1A1 0F Link Layer 5-82

Addressing: routing to another LAN frame sent from A to R frame received at R, datagram removed, passed up to IP MAC src: 74-29-9C-E8-FF-55 MAC dest: E6-E9-00-17-BB-4B IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP Eth Phy A IP Eth Phy R 111.111.111.111 74-29-9C-E8-FF-55 B 222.222.222.222 49-BD-D2-C7-56-2A 222.222.222.220 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.110 E6-E9-00-17-BB-4B 222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F Link Layer 5-83

Osoittaa: reitittää toiseen LAN:n Kehys lähetetty A:lta R:lle Kehys vastaanotettu R:ssä, datagrammi poistettu ja siirretty IP osoitteelle MAC src: 74-29-9C-E8-FF-55 MAC dest: E6-E9-00-17-BB-4B IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP Eth Phy A IP Eth Phy B R 111.111.111.11 174-29-9C-E8-FF55 111.111.111.11 2CC-49-DE-D0-AB7D 222.222.222.22 1A-23-F9-CD-060 9B 111.111.111.11 E6-E9-00-17-BB0 4B 222.222.222.22 4 29-BD-D2-C7-562A 222.222.222.22 88-B2-2F-54-1A1 0F Link Layer 5-84

Addressing: routing to another LAN R forwards datagram with IP source A, destination B R creates link-layer frame with B's MAC address as dest, frame contains A-to-B IP datagram MAC src: 1A-23-F9-CD-06-9B MAC dest: 49-BD-D2-C7-56-2A IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP Eth Phy A R 111.111.111.111 74-29-9C-E8-FF-55 IP Eth Phy B 222.222.222.222 49-BD-D2-C7-56-2A 222.222.222.220 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.110 E6-E9-00-17-BB-4B 222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F Link Layer 5-85

Osoittaa: reitittää toiseen LAN:n R siirtää dtagrammin A:n IP osoitten mukaisesti, määränpää B R luo linkkikerrokseen kehyksen B:n MAC osoitte määränpäänä, kehys sisältää A:sta B:hen IP datagrammin MAC src: 1A-23-F9-CD-06-9B MAC dest: 49-BD-D2-C7-56-2A IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP Eth Phy IP Eth Phy A B R 111.111.111.11 174-29-9C-E8-FF55 111.111.111.11 2CC-49-DE-D0-AB7D 222.222.222.22 1A-23-F9-CD-060 9B 111.111.111.11 E6-E9-00-17-BB0 4B 222.222.222.22 4 29-BD-D2-C7-562A 222.222.222.22 88-B2-2F-54-1A1 0F Link Layer 5-86

Addressing: routing to another LAN R forwards datagram with IP source A, destination B R creates link-layer frame with B's MAC address as dest, frame contains A-to-B IP datagram MAC src: 1A-23-F9-CD-06-9B MAC dest: 49-BD-D2-C7-56-2A IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP Eth Phy A R 111.111.111.111 74-29-9C-E8-FF-55 B 222.222.222.222 49-BD-D2-C7-56-2A 222.222.222.220 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.110 E6-E9-00-17-BB-4B 222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F Link Layer 5-87

Osoittaa: reitittää toiseen LAN:n R siirtää datagrammin A:n IP osoitteella, määränpää B R luo linkkikerrokseen kehyksen B:n MAC osoitte määränpäänä, kehys sisältää A:sta B:hen IP datagrammin MAC src: 1A-23-F9-CD-06-9B MAC dest: 49-BD-D2-C7-56-2A IP src: 111.111.111.111 IP dest: 222.222.222.222 IP Eth Phy A R 111.111.111.111 74-29-9C-E8-FF-55 B 222.222.222.222 49-BD-D2-C7-56-2A 222.222.222.220 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.110 E6-E9-00-17-BB-4B 222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F Link Layer 5-88

Linkkikerros, LANit: yleiskatsaus 5.1 esittely, palvelut 5.2 virheenetsintä, korjaus 5.3 monipääsyprotokollat 5.4 LANit osoittaminen, ARP Ethernet kytkimet VLANit 5.5 linkin virtualisaatio: MPLS 5.6 datakeskusverkottuminen 5.7 päivä verkkopyynnön elämässä Link Layer 5-90

Ethernet dominant wired LAN technology: cheap $20 for NIC first widely used LAN technology simpler, cheaper than token LANs and ATM kept up with speed race: 10 Mbps 10 Gbps Metcalfe s Ethernet sketch Link Layer 5-91

Ethernet hallitseva langallinen LAN teknologia: Halpa $20 NIC:stä Ensimmäinen laajasti käytetty LAN teknologia Yksinkertaisempi, halvempi kuin token LAN ja ATM Pidetään nopeudessa: 10 Mbps 10 Gbps Metcalfe s Ethernet sketch Link Layer 5-92

Ethernet: physical topology bus: popular through mid 90s all nodes in same collision domain (can collide with each other) star: prevails today active switch in center each spoke runs a (separate) Ethernet protocol (nodes do not collide with each other) switch bus: coaxial cable star Link Layer 5-93

Ethernet: fyysinen topologia bussi: suosittu 90-luvun puolivälissä kaikki solmut samassa törmäyksessä verkossa ( voivat törmätä toisiinsa ) tähti: nykyään vallitsee aktiivinen katkaisin keskuksissa jokainen puheenvuoro kulkee (erillinen) Ethernet protokollassa (solmut eivät törmää toisiinsa) katkaisin bussi: koaksiaalinen kaapeli tähti Link Layer 5-94

Ethernet frame structure sending adapter encapsulates IP datagram (or other network layer protocol packet) in Ethernet type frame dest. source preamble address address data (payload) CRC preamble: 7 bytes with pattern 10101010 followed by one byte with pattern 10101011 used to synchronize receiver, sender clock rates Link Layer 5-95

Ethernetin kehyksen rakenne lähettäessä kapseloidun muuntajan IP datagrammin (tai toisen verkkokerros protokolla paketin) Ethernet kehyksessä type dest. source preamble address address data (payload) CRC johdanto: 7 biittiä kaavalla 10101010, jonka jälkeen yksi bitti kaavalla 10101011 käytetään synkronoimaan lähettäjän kellon arvot Link Layer 5-96

Ethernet frame structure (more) addresses: 6 byte source, destination MAC addresses if adapter receives frame with matching destination address, or with broadcast address (e.g. ARP packet), it passes data in frame to network layer protocol otherwise, adapter discards frame type: indicates higher layer protocol (mostly IP but others possible, e.g., Novell IPX, AppleTalk) CRC: cyclic redundancy check at receiver error detected: frame is dropped type dest. source preamble address address data (payload) CRC Link Layer 5-97

Ethernetin kehyksen rakenne (lisää) osoitteet: 6 bittilähde, määränpää MAC osoitteet jos muuntaja vastaanottaa kehyksen samoilla määränpää osoitteilla, tai lähetys osoitteilla (esim. ARP paketti), se siirtää datakehyksen verkkokerros protokollaan muuten, muuntaja hylkää kehyksen tyyppi: viittaa korkean kerroksen protokollaan (pääsääntöisesti IP, mutta muutkin ovat mahdollisia, esim. Novell IPX, AppleTalk) CRC: (cyclic redundancy check) tiivistealgoritmi vastaanottajalla Virheen huomiointi: kehys hylätään type dest. source preamble address address data (payload) CRC Link Layer 5-98

Ethernet: unreliable, connectionless connectionless: no handshaking between sending and receiving NICs unreliable: receiving NIC doesnt send acks or nacks to sending NIC data in dropped frames recovered only if initial sender uses higher layer rdt (e.g., TCP), otherwise dropped data lost Ethernet s MAC protocol: unslotted CSMA/CD wth binary backoff Link Layer 5-99

Ethernet: epäluotettava, yhteydetön yhteydetön: ei NIC kädenpuristuksia lähettämisen ja vastaanottamisen välissä epäluotettava: vastaanottaessa NIC ei lähetä kuittauksia tai nacks lähettääkseen NIC:n data hylätyissä kehyksissä palautetaan vain jos alkuperäinen lähettäjä käyttää korkeamman kerroksen rdt:tä(esim TCP), muuten hylätty data häviää Ethernet MAC protokolla: slottaamaton CSMA/CD binäärisellä varmistimella Link Layer5-100

802.3 Ethernet standards: link & physical layers many different Ethernet standards common MAC protocol and frame format different speeds: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bps different physical layer media: fiber, cable application transport network link physical MAC protocol and frame format 100BASE-TX 100BASE-T2 100BASE-FX 100BASE-T4 100BASE-SX 100BASE-BX copper (twister pair) physical layer fiber physical layer Link Layer5-101

802.3 Ethernet standardit: linkki & fyysiset kerrokset Monta erilaista Ethernet standardia yleinen MAC protokolla ja kehys muoto Eri nopeuksia: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bps Erilaisia fyysisiä kerroksia media: kuitu, kaapeli application transport network link physical MAC protocol and frame format 100BASE-TX 100BASE-T2 100BASE-FX 100BASE-T4 100BASE-SX 100BASE-BX copper (twister pair) physical layer fiber physical layer Link Layer5-102

Link layer, LANs: outline 5.1 introduction, services 5.5 link virtualization: MPLS 5.2 error detection, 5.6 data center correction networking 5.3 multiple access 5.7 a day in the life of a protocols web request 5.4 LANs addressing, ARP Ethernet switches VLANS Link Layer5-103

Linkki kerrokset, LANs: ulostulo 5.1 Esittely, Palvelut 5.2 virheiden havaitsija, oikeellisuus 5.3 Usean pääsyn protokollat 5.4 LANs 5.5 linkki virtualisointi: MPLS 5.6 data keskus, verkkotyöskentely 5.7 Päivä elämästä, netti anomus osoitteisto, ARP Ethernet Kytkin VLANS Link Layer5-104

Ethernet switch link-layer device: takes an active role store, forward Ethernet frames examine incoming frame s MAC address, selectively forward frame to one-or-more outgoing links when frame is to be forwarded on segment, uses CSMA/CD to access segment transparent hosts are unaware of presence of switches plug-and-play, self-learning switches do not need to be configured Link Layer5-105

Ethernet kytkin linkki-kerrokset laite: Ottaa aktiivisen roolin varastoi, eteenpäin Ethernet kehyksiä Tutkii tulevia kehyksiä MAC osoitteita, valikoivasti eteenpäin kehyksestä yhdestä tai useampaan linkkiin, kun kehys on eteenpäin menevä segmentissään, käyttää CSMA/CD pääsyä segmenttiin. läpinäkyvä isännät ovat valppaina kytkinten läsnäolosta plug-and-play, itseoppiminen Kytkimiä ei tarvitse konfiguroida Link Layer5-106

Switch: multiple simultaneous transmissions hosts have dedicated, direct connection to switch switches buffer packets Ethernet protocol used on each incoming link, but no collisions; full duplex each link is its own collision domain switching: A-to-A and B-to-B can transmit simultaneously, without collisions A B C 6 5 B 1 2 4 3 C A switch with six interfaces (1,2,3,4,5,6) Link Layer5-107

Kytkin: Useita samanaikaisia lähetteitä Isännät ovat omistautuneita suora yhteys kytkimeen kytkin bufferoi paketteja Ethernet protokollat käytetään jokaisessa tulevassa linkissä, mutta ei yhteentörmäyksissä; täysi kaksisuuntaisuus Jokainen linki on omansa yhteentörmäys piirissä kytkin: A-to-A and B-to-B voi lähettää samanaikaisesti, ilman yhteentörmäystä A B C 6 1 5 2 4 3 B C A with six switch interfaces (1,2,3,4,5,6) Link Layer5-108

Switch forwarding table Q: how does switch know A reachable via interface 4, B reachable via interface 5? A: each switch has a switch table, each entry: (MAC address of host, interface to reach host, time stamp) looks like a routing table! Q: how are entries created, maintained in switch table? A B C 6 5 B 1 2 4 3 C A switch with six interfaces (1,2,3,4,5,6) something like a routing protocol? Link Layer5-109

kytkimen huolinta pöytä Q: Kuinka kytkin tietää A tavoitettavissa oleva rajapinta 4, B tavoitettavissa oleva rajapinta 5?C A B A: Jokainen omistaa kytkinpöydän, Jokainen sinääntulo: 6 1 5 2 4 3 B (MAC isännän osoite, rajapinta isäntään, Aika leima) Näyttää reititin pöydältä A Q: Kuinka sisäänkäynnit on luotu, sisällytetty Kytkin pöydälle? C with six switch interfaces (1,2,3,4,5,6) Jokin tykkää reititin protokollista? Link Layer5-110

Switch: self-learning switch learns which hosts can be reached through which interfaces when frame received, switch learns location of sender: incoming LAN segment records sender/location pair in switch table A A A B C 6 1 2 4 5 B 3 C A MAC addr interface A Source: A Dest: A 1 TTL 60 Switch table (initially empty) Link Layer5-111

Kytkin: Itseoppi Kytkin oppii mikä isäntä on tavoitettavissa, mistäkin rajapinnasta kun kehys vastaanottaa, kytkin Oppii lähettäjän sijainnin tulevasta LAN segmentistä nauhoite lähettäjä/sijainti pari kytkinpöytä A A A B C 6 1 2 4 5 B 3 C A MAC addr interface A Source: A Dest: A 1 TTL 60 kytkinpöytä (tyhjä) Link Layer5-112

Switch: frame filtering/forwarding when frame received at switch: 1. record incoming link, MAC address of sending host 2. index switch table using MAC destination address 3. if entry found for destination then { if destination on segment from which frame arrived then drop frame else forward frame on interface indicated by entry } else flood /* forward on all interfaces except arriving interface */ Link Layer5-113

Kytkin: kehys seulonta/huolinta Kun kehys vastaan ottaa kytkimen. 1. Tallentaa tulevan linkin, MAC osoite lähettävältä isännältä 2. indeksi kytkinpöytä käyttää MAC määränpää osoitetta 3. jos sisäänkäynti löydetään määränpäälle silloin { jos määränpää segmentissään jokin kehys saapunut silloin tiputa kehys tai edelleenluovuta kehys rajapinnalle indikoitus sisääntulolle } tai flood /* edelleenluovuta kaikki rajapinnat paitsi tuleva rajapinta */ Link Layer5-114

Self-learning, forwarding: example A frame destination, A, locaton unknown: floo d destination A location known:selectively send on just one link Source: A Dest: A A A B C 6 1 A 5 A 2 4 B 3 C A A A MAC addr interface A A 1 4 TTL 60 60 switch table (initially empty) Link Layer5-115

Itseoppiminen, huoltinta: esimerkki kehys määränpää, A, lokaatia tuntematon: floo d määränpää A lokaatio A A A B C 6 1 tunnettu: 5A A 2 4 B valikoiden valittu yksi linkki pelkästään Source: A Dest: A 3 C A AA MAC addr interface A A 1 4 TTL 60 60 Kytkin pöytä (alustavasti tyhjä) Link Layer5-116

Interconnecting switches switches can be connected together S4 S1 S3 S2 A B C F D E I G H Q: sending from A to G - how does S1 know to forward frame destined to F via S4 and S3? A: self learning! (works exactly the same as in single-switch case!) Link Layer5-117

yhteys kytkimet Kytkimet voidaan yhdistää toisiinsa S4 S A 1 B S3 S2 C F D E I G H Q: Lähettää A -> G - Kuinka S1 tietää lähettää kehyksen tarkoitettavaksi F:lle S4 ja S3? A: Itseoppiminen! (Toimii täysinsamanlailla kuin yhden kytkimen tapauksessa. Link Layer5-118

Self-learning multi-switch example Suppose C sends frame to I, I responds to C S4 S1 S3 S2 A B C F D E I G H Q: show switch tables and packet forwarding in S1, S2, S3, S4 Link Layer5-119

Itseoppiminen multikytkin esimerkki Olettaa C lähettävän kehyksen I, I vastaa C:lle S4 S A 1 B S3 S2 C F D E I G H Q: Näyttää kuinka kytkinpöydät ja paketit etenevät S1, S2, S3, S4 Link Layer5-120

Institutional network mail server to external network router web server IP subnet Link Layer5-121

Laitosverkko sähköpostipalvelin ulkoiseen verkkoon reititin verkkopalvelin IP alaverkko Link Layer5-122

Switches vs. routers both are store-and-forward: routers: network-layer devices (examine networklayer headers) switches: link-layer devices (examine link-layer headers) both have forwarding tables: routers: compute tables using routing algorithms, IP addresses switches: learn forwarding table using flooding, learning, MAC addresses datagram frame application transport network link physical link frame physical switch network datagram link frame physical application transport network link physical Link Layer5-123

Vaihatajat vs. reitittimet molemmat ovat säilytys-lähettäjiä: reitittimet: verkkotason laitteita (tutkivat verkkotason otsikoita) vaihtajat: linkkitason laitteita (tutkivat linkkitason otsikoita) molemmilla on lähetystaulukoita: reitittimet: laskevat taulukoita käyttämällä reititinalgoritmejä, IP osoitteita vaihtajat: oppivat lähettämään taulukoita käyttäen tulvitusta, oppimista, MAC osoitteita datagram frame application transport network link physical link frame physical switch network datagram link frame physical application transport network link physical Link Layer5-124

VLANs: motivation consider: Computer Science Electrical Engineering Computer Engineering CS user moves office to EE, but wants connect to CS switch? single broadcast domain: all layer-2 broadcast traffic (ARP, DHCP, unknown location of destination MAC address) must cross entire LAN security/privacy, efficiency issues Link Layer5-125

VLAN:t: motivaatio Computer Science Electrical Engineering Computer Engineering harkitse: CS käyttäjä siirtää toimiston EE: hen, mutta haluaa yhdistää CS vaihtajaan? yksi lähetysdomain: kaikki 2-tason lähetysliikenne (ARP, DHCP, ei-tidetty kohde MAC osoitteille) pakko ylittää koko LAN turvallisuus/yksityisyys, tehokkuusongelmat Link Layer5-126

VLANs Virtual Local Area Network switch(es) supporting VLAN capabilities can be configured to define multiple virtual LANS over single physical LAN infrastructure. port-based VLAN: switch ports grouped (by switch management software) so that single physical switch 1 7 9 15 2 8 10 16 Electrical Engineering (VLAN ports 1-8) Computer Science (VLAN ports 9-15) operates as multiple virtual switches 1 7 9 15 2 8 10 16 Electrical Engineering (VLAN ports 1-8) Computer Science (VLAN ports 9-16) Link Layer5-127

VLANs portti-vlan: vaihtoportit ryhmitetty (vaihtajahallinan ohjelmiston avulla) niin että yksi fyysinen katkaisin Virtual Local Area Network vaihtaja(t) tukevat VLAN-ominaisuuksia, voidaan konfiguroida kuvaamaan useita virtuaalisia LANeja yhden fyysisen LANinfrastruktuurin päälle. 1 7 9 15 2 8 10 16 Computer Science (VLAN ports 9-15) Electrical Engineering (VLAN ports 1-8) toimii useina virtuaalisina katkaisimina 1 7 9 2 8 1 0 Electrical Engineering (VLAN ports 1-8) 1 5 1 6 Computer Science (VLAN ports 916) Link Layer5-128

Port-based VLAN traffic isolation: frames to/from ports 1-8 can only reach ports 1-8 can also define VLAN based on MAC addresses of endpoints, rather than switch port router dynamic membership: ports can be dynamically assigned among VLANs 1 7 9 15 2 8 10 16 Electrical Engineering (VLAN ports 1-8) Computer Science (VLAN ports 9-15) forwarding between VLANS: done via routing (just as with separate switches) in practice vendors sell combined switches plus routers Link Layer5-129

Portti-VLAN router liikenteen eristäminen: kehykset portteihin/porteista 1-8 voivat tavoittaa ainoastaan portit 1-8 voidaan myös määrittää VLAN perustuen päätepisteiden MAC osoitteisiin, katkaisinporttien sijaan dynaaminen osallisuus: portit voidaan jakaa dynaamisesti VLANeihin 1 7 9 15 2 8 10 16 Electrical Engineering (VLAN ports 1-8) Computer Science (VLAN ports 9-15) edelleenlähetys VLANien välillä: tehdään reitittämällä (juuri niin kuin erillisilla katkaisimilla) käytännössä tarjoajat myyvät yhdistettyjä katkaisin-reitittimiä Link Layer5-130