Linkkikerros: Ethernet ja WLAN

Linkkikerros: Ethernet ja WLAN Matti Siekkinen T-110.2100 Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2011

Viime luennolla Verkkokerros on Internetissä käytännössä IP Tällä hetkellä versio 4, versio 6 tulossa IP toteuttaa epäluotettavan ja tilattoman pakettien välityspalvelun Ylemmät protokollat hoitaa tarvittaessa luotettavuuden ym. IP-osoitteet hallinnoitu luonnonvara Voidaan jakaa aliverkoiksi bittirajojen kohdalta NATin avulla yksityiset osoiteavaruudet käyttöön Reitittimet siirtelevät IP-paketteja verkossa Pakettien välitys (forwarding) Reititys (routing) 2

TCP/IP-protokollapino Sovelluskerros Middleware: HTTP, SSL, XML... Siirtokerros: TCP, UDP,... Verkkokerros: IPv4, IPv6 Linkkikerros: Ethernet, MPLS, WLAN, GPRS... Asiakas/palvelinsovellukset ja monenväliset palveluarkkitehtuurit Tiedonsiirto päästä päähän, Internetin yli (end to end) Tiedonsiirto yhden linkin yli 3

Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi 802.11 4

Tämän luennon jälkeen Ymmärrätte: Linkkikerroksen tehtävän Yleisimmät linkkikerroksen toiminnot MAC osoitteet ja ARP CRC virheenkorjaus random access-monipääsyprotokollat (CSMA) Ethernetin toiminnan Mikä on kytkin ja mitä se tekee WiFin (802.11) perustoiminnan erot Ethernetiin Tiedostatte: Muut monipääsymenetelmät (kanavanjako ja vuorottelu) 802.11 virransäästömekanismin 5

Linkkikerros: Johdanto Terminologiaa: Päätelaitteet ja reitittimet ovat solmuja Viereisiä solmuja yhdistävät tietoliikennekanavat linkkejä langalliset yhteydet langattomat yhteydet Lähiverkot (Local Area Network, LAN) Linkkikerroksen paketti on kehys Lähettävän päätelaitteen verkkokortti (tms.) kapseloi IP paketin linkkikerroksen (esim. Ethernet) kehykseen linkkikerroksen vastuulla on siirtää datagrammi yhdestä solmusta viereiseen solmuun linkin yli Kuvissa = Linkki 6

Linkkikerros: Mistä on kyse? Datagrammi siirretään eri linkkiprotokollia käyttäen eri linkkien kautta: Esim., Ethernet ensimmäisellä linkillä, kehys releoidaan seuraavilla (Frame Relay), 802.11 WLAN viimeisellä linkillä Jokainen linkkiprotokolla tarjoaa erilaisia palveluita, esim., voi tarjota tai olla tarjoamatta luotettavan tiedonsiirron Matkustusanalogia: Matka Princetonista Lausanneen limusiini: Princetonista JFKlentokentälle Lento: JFK -> Geneve Juna: Geneva -> Lausanne Turisti = datagrammi Matkan osa = (tietoliikenne) linkki Matkustustapa = linkkikerroksen yhteyskäytäntö Matkatoimisto = reititysalgoritmi 7

Linkkikerroksen palvelut Kehystys, siirtotielle pääsy (kaapeli, langaton): kapseloi datagramnin kehykseen, lisää kehyksen otsakkeen ja loppuosan siirtokanavalle pääsyn kontrolli jos jaettu media MAC"-osoitteita käytetään kehyksen otsikoissa tunnistamaan lähde, ja kohde eri kuin IP-osoite! Luotettavan tiedonsiirto vierekkäisten solmujen välillä Virheiden havaitseminen Virheenkorjaus harvemmin käytössä luotettavien linkkien välillä (kuitu, jotkut kierretty pari ratkaisut) Vuon hallinta 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 8

Missä linkkikerros on toteutettu? Jokaisessa päätelaitteessa ja verkkolaitteessa Linkkikerros käytännössä adapterissa eli verkkokortissa (Network Interface Card, NIC) Ethernet kortti, PC-kortti, 802.11 kortti tai adapteri Toteuttaa linkki- ja fyysisen kerroksen Asennetaan tietokoneen väylään Nykyään usein sulautettuna, ei erillinen kortti läppäri, kännykkä Yhdistelmä rautaa, softaa, ja sulautettua ohjelmistoa sovellus kuljetus verkko linkki linkki fyysinen cpu memory controller fyysinen transmissio väylä (esim., PCI) Verkko (sovitus) k 9

Adapterit (verkkokortit) kommunikoivat datagram datagram controller controller lähettäjä kehys datagram vastaanottaja Lähettävä puoli: Kapseloi datagrammin kehykseen Lisää virheenkorjausbitit, rdt, vuon ohjaus, jne. Vastaanottava puoli Tutkii mahdolliset siirtovirheet, vuon ohjauksen, jne. Kaivaa datagrammin, ja antaa sen ylemmälle kerrokselle (IP) vastaanottopäässä 10

Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi 802.11 11

Virheenkorjaus Linkkikerroksella usein toteutetaan vaikka kuljetuskerros jo toteuttaa Vältetään TCP ruuhkanhallinnan reagointi Nopeampi reagointi virheisiin (kuljetuskerros on end2end!) Joskus vain virheen havainnointi, ei korjausta Ethernet Erityisesti langattomilla linkeillä siirtovirheitä voi tulla paljon Signaalin vaimennuksen, kohinan, ylikuulumisen (esim. vierekkäinen radiokanava häiritsee) jne. Pyritään myös korjaamaan virheet Virheen havaitseminen ei ole 100% luotettavaa! Enemmän virheenkorjausbittejä -> suurempi virheiden havaitsemistodennäköisyys Error Detection ja Correction bitit 12

Pariteettitarkistus Yhden bitin pariteetti: Huomaa yhden bitin virheet Kaksidimensionaalinen bittipariteetti: Huomaa ja korjaa yhden bitin virheet Huomaa useamman bitin virheet (muttei korjaa) ykkösten määrä parillinen vai ei 0 0 13

Cyclic Redundancy Check (CRC) Tarkastellaan databittejä, D, binäärinumerona Valitaan r+1 bittikuvio (generaattori), G lähettäjä ja vastaanottaja sopii käytetään standardoituja generaattoreita Lähettäjä valitsee r CRC bittiä (R ao. kuvassa), siten, että <D,R> täsmälleen jaettavissa G:llä (modulo 2), eli jakojäännös nolla Vastaanottaja jakaa <D,R> G:llä Jos jakojäännös ei nolla -> havaittu virhe Voi havaita kaikki purskeiset virheet r+1 bittiin asti Laajalti käytössä Ethernet, 802.11 WiFi, ATM 14

Miten lähettäjä valitsee R:n? Halutaan: D. 2 r XOR R = ng Vastaa, että: D. 2 r = ng XOR R On yhtä kuin: jos jaamme D. 2 r G:llä, saadaan jakojäännös R D. 2 r G R = jakojäännös[ ] modulo 2 operaatiot -> ei lainata Lähetettäessä jakojäännös pistetään datan perään Vastaanottaja jakaa koko datan samalla G:llä, ja jos jakojäännös nolla, ei havaittuja virheitä 15

Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi 802.11 16

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) 802.11 WLAN eli langaton lähiverkko Langattomat mobiiliverkot GPRS, UMTS Kaapelimodeemit, Bluetooth Yhteinen (jaettu) kaapeli (esim., kaapeloitu Ethernet) Jaettu RF-taajuus (esim., 802.11 WiFi) jaettu RF (satelliitti) ihmiset cocktail kutsuilla (jaettu ilmatila, akustinen) 17

Monipääsyprotokollat Yksi jaettu lähetyskanava Jos kaksi tai useampia lähetyksiä samaan aikaan =>Törmäys ja tieto menetetään Monipääsyprotokollan tehtävät ja tavoitteet: Koordinoi kuka saa käyttää milloinkin jaettua kanavaa Ideaalinen monipääsyprotokolla: Vain yksi käyttäjä -> saa koko kaistan M solmua haluaa lähettää yhtä aikaa -> saavat keskimäärin R/M kaistan R on kanavan koko kapasiteetti Ei kellojen synkronointia, aikavälejä Täysin hajautettu: Ei erikoissolmua joka koordinoi lähetyksiä ja joka vikaantuessaan estäisi koko verkon toiminnan Yksinkertainen ja halpa 18

MAC kanavanvarausprotokollat Kolme isompaa luokkaa: Kanavan osittaminen Jaetaan kanava pienempiin osiin (aikavälejä, taajuuksia, CDMAkoodeja) Allokoidaan yksi osa tietyn solmun yksinomaiseen käyttöön Esim. piirikytkentäinen tietoliikenne: Puhelinverkko, GSM, 3G.. Satunnainen pääsy (Random access) Kanavaa ei jaeta, sallitaan törmäykset toivutaan törmäyksistä Esim. Ethernet ja WLAN Vuorottelu Solmut saavat vuoroja lähettää, mutta solmut joilla on enemmän lähetettävää saavat pidempiä vuoroja Esim. IBM Token-Ring 19

Satunnainen pääsy (Random Access) Kun solmulla on paketti lähetettävänä Lähetetään täydellä kanavan nopeudella R (Mb/s). Ei etukäteen (a priori) koordinointia solmujen välillä Yksi tai enemmän lähettäviä solmuja => törmäys lähetetty data korruptoituu Satunnaispääsy MAC yhteyskäytäntö määrittelee: Kuinka törmäykset tunnistetaan Kuinka törmäyksistä toivutaan (esim. viivästettyjen uudelleenlähetysten avulla) Esimerkkejä satunnaispääsy MAC protokollista: aikajaettu ALOHA ja pelkkä ALOHA (vanhoja) CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA, Tässä termit: CSMA = Carrier Sense Multiple Access, CD= Collision Detection, CA = Collision Avoidance Näitä käytetään Ethernetissä ja WLAN:issa 20

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! 21

Vaikka siirtotie on lähetettäessä vapaa törmäyksiä voi silti tulla: Etenemisviiveen takia solmut eivät tiedä, että toiset ovat jo ehkä lähettäneet kehyksen törmäys: Koko paketti tuhoutuu Huom.: Etäisyys ja etenemisviive vaikuttavat törmäystodennäköisyyteen Kaapelin maksimipituus ja paketin minimikoko määritelty CSMA törmäykset spatial layout of nodes 22

CSMA/CD törmäysten havaitseminen B:n kannalta D:n lähetys huomataan tällä ajan hetkellä D:n kannalta törmäys huomataan vasta tällä ajan hetkellä 23

CSMA/CD (Törmäysten havaitseminen) 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 LAN: mitataan signaalin voimakkuutta ja verrataan lähetettyyn vaikeampaa langattomissa LAN:eissa (WLAN): vastaanotetun signaalin taso voi vaihdella melkoisesti ihmisanalogia: kohtelias keskustelija; lopeta puhuminen, jos toinen jo ehti aloittaa 24

Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi 802.11 25

MAC osoite IP osoite on 32-bittinen : Verkkotason osoite käytetään siihen, että datagrammi saadaan kohdeverkkoon 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 koskaan 26

MAC osoite Jokaisella verkkoadapterilla (kortillla) on uniikki MAC osoite. Verkkokorttien ja tietokoneiden valmistajat saavat käyttöönsä tietyt osoitealueet 71-65-F7-2B-08-53 LAN (langallinen tai langaton) 1A-2F-BB-76-09-AD 58-23-D7-FA-20-B0 Broadcast osoite = FF-FF-FF-FF-FF-FF (kaikki bitit ykkösiä) Kaikki vastaanottavat broadcast-kehykset = adapteri 0C-C4-11-6F-E3-98 27

MAC osoite MAC osoitteiden allokaatiota hallinnoi IEEE Valmistajat ostavat jonkun osan MAC osoiteavaruudesta (jotta varmistetaan yksikäsitteisyys) analogia: (a) MAC osoite: kuten sotu-numero (b) IP osoite: kuten postiosoite MAC: yksikäsitteinen osoite (flat osoite) -> siirrettävyys LAN kortin (ja tietokoneen) voi viedä LAN:ista toiseen IP:n hierarkkinen osoite EI OLE SIIRRETTÄVÄ Osoite riippuu IP-aliverkosta, mihin laite on kytketty 28

137.196.7.23 71-65-F7-2B-08-53 ARP: Address Resolution Kysymys: Kuinka selvitetään B:n MAC osoite kun tiedetään B:n IPosoite? LAN Protocol 137.196.7.78 1A-2F-BB-76-09-AD 137.196.7.14 58-23-D7-FA-20-B0 Jokaisessa IP-laitteessa (tietokone, reititin) LAN:issa on ARP taulu ARP taulu: IP/MAC osoitteiden mappaus LAN solmuille < IP osoite; MAC osoite; TTL> TTL (Time To Live): aika jonka jälkeen osoitteiden kytkentä unohdetaan (tyypillinen 20 min) Esim. Windowsissa, komento arp a näyttää koneen IP ja MAC osoitteen kytkennän 137.196.7.88 0C-C4-11-6F-E3-98 29

ARP: Sama lähiverkko A haluaa lähettää datagarmmin B:lle, mutta B:n MAC osoite ie ole ARP taulussa. A lähettää ARP kyselypaketin, jossa B:n IP osoite kohde MAC osoite = FF-FF- FF-FF-FF-FF LAN:in kaikki koneet vastaanottavat ARP kyselyn B vastaanottaa ARP paketin, vastaa A:lle omalla (B:n) MAC osoitteellaan kehys lähetetään A:n MAC osoitteeseen (unicast) A tallentaa IP-to-MAC osoiteparin ARP-tauluunsa siihen asti kunnes tieto vanhenee (aika loppuu) Informaatio ei käytettävissä (times out) jollei sitä virkistetä ARP on plug-and-play : Solmut tekevät omat ARP taulunsa itsestään 30

ARP: reititys toiseen lähiverkkoon Tutkitaan esimerkki: lähetetään datagrammi A:sta B:hen R:n kautta oletetaan, että A tietää B:n IP-osoitteen 74-29-9C-E8-FF-55 A E6-E9-00-17-BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.111 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 222.222.222.220 111.111.111.110 R 88-B2-2F-54-1A-0F 222.222.222.221 222.222.222.222 B 49-BD-D2-C7-56-2A kaksi ARP taulua reitittimessä R, yksi kummallekin IP verkolle (LAN) 31

A tekee IP datagrammin lähdeosoitteena A, kohdeosoitteena B A käyttää ARP:ia saadakseen selville R:n MAC osoitteen 111.111.111.110 A tekee linkkikerroksen kehyksen, jossa R:n MAC osoite kohdeosoitteena; kehys sisältää lähetettävän A-B IP datagrammin A:n NIC lähettää kehyksen R:n NIC vastaanottaa kehyksen R poistaa IP datagrammin Ethernet kehyksestä, ja näkee, että sen määränpää on B R käyttää ARP:ia saadakseen B:n MAC osoitteen R tekee kehyksen, jossa A-B IP-datagrammi ja lähettää sen B:lle 74-29-9C-E8-FF-55 A 111.111.111.111 E6-E9-00-17-BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B 88-B2-2F-54-1A-0F 222.222.222.221 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.110 222.222.222.220 R 222.222.222.222 B 49-BD-D2-C7-56-2A 32

Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi 802.11 33

Ethernet ja vähän historiaa Nykyään dominoiva langallinen LAN teknologia Historiaa: 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 802.3 LAN Standardi (10 Mbps) 1995 Fast Ethernet (100 Mbps) 1998 Gigabit Ethernet 2002 10 Gigabit Ethernet 10 Gbps nyt, 100 Gb/s tulossa Metcalf:in Skitsi: 34

Ethernet kehyksen rakenne Lähettävä adapteri kapseloi IP datagrammin (tai muun verkkoprotokollan paketin) in Ethernet kehykseen (Ethernet frame) IP paketti headereineen IP data siirretään kehyksen sisällä Kehyksen alussa aina tahdistusosa (Preamble): 7 tavua jossa bitit menevät sekvenssissä 10101010. Tätä seuraa yksi tavu 10101011 (SD) käytetään vastaanottimen synkronointiin lähettäjän kellon nopeuteen 35

IEEE 802.3 Kehysrakenne tarkemmin 7 1 6 6 2 Muuttava pituus 4 Preamble SD Kohde osoite Lähde Osoite Pituus DATA Pad FCS tavua Yhteensä 64-1518 tavua Preamble (Alkutahdistus) toistaa 10101010-kuviota SD aloittaa itse kehyksen tavulla 10101011 Vastaanottajan ja lähettäjän osoitteet ovat 6 tavua Pituus on informaatio-kentän pituus tavuissa DATA, lähetettävä tieto (esim. IP-paketti) Padding (täytebitit) varmistaa, että kehys on vähintään 64 tavua Tarkistussumma on CCITT 32-bit CRC kattaen osoitteen, pituuden, informaation ja paddingin (täytebitit) 36

Ethernetin osoitteet Jokaisella verkkokortilla (NIC) on uniikki osoite (MAC-osoite) valmistajan kiinteästi asettama tai ohjelmistollisesti vaihdettava ekan tavun 1. (vähiten merkitsevä) bitti kertoo onko kyseessä täsmälähetys (0) vai ryhmälähetys (1) ekan tavun 2. bitti kertoo onko kyseessä paikallinen (vaihdettava) vai globaali (kiinteä) osoite 3 ensimmäistä tavua (miinus kaksi ensimmäistä bittiä) on Organizationally Unique Identifier (OUI) 3 viimeistä tavua on valmistajan valittavissa yleislähetys on osoitteelle ff:ff:ff:ff:ff:ff (kaikki bitit 1) saman osoitteen sattuminen kahdelle verkkokortille samassa verkossa on harvinaista, mutta mahdollista Asema voi lähettää täsmälähetyksiä (unicast), ryhmälähetyksiä (multicast) tai yleislähetyksiä (broadcast) IP ja muut protokollat tarvitsevat yleislähetyksiä muiden samassa lähiverkossa olevien asemien (ARP) tai verkkoasetuksia tarjoavien palveluiden (DHCP) löytämiseen Tavallinen liikenne on täsmälähetyksiä 37

Ethernet: Epäluotettava, yhteydetön Yhteydetön: Ei kättelyä (handshaking) lähettävän ja vastaanottavan NIC:in välillä Epäluotettava: vastaanottava NIC ei lähetä kuittauksia (ack / nack) lähettävälle NIC:ille TCP uudelleenlähettää lopulta puuttuvat segmentit Ethernetin MAC yhteyskäytäntö: ei aikajaettu vaan CSMA/CD 38

Ethernet topologia: Tähti (Star) Bussitopologia (yhteinen jaettu kaapeli) suosittu 90- luvun puoliväliin asti Kaikki solmut samassa mediassa ja törmäyksiä sattuu Tänään: Käytännössä tähtitopologia (star) Aktiivinen kytkin (switch) keskellä Jokainen osallistuja ( haara ) käyttää omaa Ethernet protokollaa (solmut eivät törmää keskenään) kytkin bussi: koaksiaalikaapeli Tähti (star) 39

Ethernet CSMA/CD algoritmi 1. NIC vastaanottaa datagrammin verkkokerrokselta, ja tekee kehyksen 2. Jos NIC huomaa, että kanava on vapaa, se lähettää kehyksen. Jos NIC huomaa, että kanava on varattu, se odottaa kunnes kanava on vapaa, ja lähettää sitten 3. Jos NIC pystyy lähettämään koko kehyksen ilman, että linjalla muuta transmissiota, NIC saa kehyksen perille! 4. Jos NIC huomaa toisen transmission sillä aikaa kun se lähettää, se lopettaa lähetyksen ja lähettää kanavaan ruuhka signaalin (jam signal) 5. Lopetettuaan NIC menee exponentiaaliseen peruutustilaan (exponential backoff): m:nnen törmäyksen jälkeen, NIC valitsee K:n siten, että arvotaan satunnainen arvo väliltä {0,1,2,,2 m -1}. NIC odottaa K 512 bitin aikaa, ja palaa sitten vaiheeseen 2 NIC = Network Interface card = Verkkokortti tai adapteri 40

Ethernet:in CSMA/CD (lisää) Ruuhkasignaali (Jam signal): varmistetaan, että kaikki muut lähettäjät ovat selvillä törmäyksestä; 48 bittiä Bitin aika: 0.1 mikrosekuntia 10 Mbps Ethernetissä ; kun K=1023, odotusaika on noin 50 millisekuntia (alkaa vaikuttaa puheen siirron laatuun) Exponential Backoff (exponentiaalinen peruutustila) tarkemmin: Tavoite: adaptoida uudelleenlähetysyritykset arvioituun silloiseen kuormaan Suuri kuormitus: satunnainen odotus on pidempi Ensimmäinen törmäys: valitaan K väliltä {0,1}; viive on K 512 bitin siirtoaikaa Toisen törmäyksen jälkeen : valitaan K väliltä {0,1,2,3} Kymmenennen törmäyksen jälkeen, valitaan K väliltä {0,1,2,3,4,,1023} 41

802.3 Ethernet Standardit: linkki & fyysinen kerros erilaisia Ethernet standardeja Yhteinen MAC yhteyskäytäntö ja kehysformaatti Erilaisia nopeuksia: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps Monia erilaisia siirtoteitä (media): kuitu, kaapeli sovellutus transport verkko Linkki fyysinen MAC protokolla ja kehysformaatti 100BASE-TX 100BASE-T4 100BASE-T2 100BASE-SX 100BASE-FX 100BASE-BX kuitu fyysinen kerros kupari (T, Twisted pair; kierretty pari) fyysinen kerros 42

Keskitin (Hub) fyysisen-kerroksen ( tyhmä ) toistin bitit sisään yhdestä linkistä -> ulos kaikkiin muihin linkkeihin samalla nopeudella Paketit kaikista linkeistä, jotka kytketyt hub:iin voivat törmätä keskenään Ei kehysten puskurointia Ei CSMA/CD hubissa: tietokoneiden NIC:it havaitsevat törmäykset kierretty pari hub 43

Kytkin (Switch) Linkkikerroksen laite: fiksumpi kuin hub Varastoi ja välittää Ethernet kehyksiä Tutkii sisääntulevan kehyksen MAC osoitteen, ja välittää kehyksen yhteen tai useaan ulosmenevään linkkiin. Läpinäkyvä tietokoneet eivät tiedä kytkinten olemassaoloa Plug-and-play, itseoppivia Kytkimen välitystaulua ei tarvitse manuaalisesti konfiguroida 44

Kytkin: useita samanaikaisia lähetyksiä A Tietokoneilla on omat suorat liitäntänsä kytkimeen Kytkimet puskuroivat paketteja Jokainen linkki on oma törmäys alueensa Full duplex linkit -> ei törmäyksiä -> ei tarvita CSMA/CD half duplex -> tarvitaan CSMA/CD Kytkeminen: A-A ja B-B yhtä aikaa, ilman törmäyksiä ei mahdollista tyhmällä hubilla C B 6 5 1 2 3 4 A B kytkin jossa kuusi liitäntää (1,2,3,4,5,6) C 45

Kytkintaulu Kysymys: miten kytkin tietää että A saavutettavissa liitännän 4, ja B saavutettavissa liitännän 5 kautta? Vastaus: jokaisella kytkimellä on kytkintaulu (Switch Table), jokainen rivi: <laitteen MAC osoite, liitäntä jonka kautta saavutetaan tietokone, aikaleima> näyttää reititystaululta Kysymys: Kuinka kytkintaulun rivit luodaan ja ylläpidetään kytkintaulussa? kuten reititysprotokolla vai? C B 6 5 A 1 2 3 4 A Kytkin, jossa kuusi liitäntää (1,2,3,4,5,6) B C 46

Kytkin: itse-oppiva (selflearning) Kytkin oppii, mitkä tietokoneet voi voi saavuttaa minkäkin liitännän kautta Kun kehys vastaanotetaan, kytkin oppi lähettäjän sijainnin: sisääntuleva LAN segmentti Kytkin pistää lähettäjä/sijainti parin kytkintauluun (Switch Table) C B 6 A A A 1 2 3 5 4 A Lähde: A Kohde: A B C MAC osoite liitäntä TTL A 1 60 kytkin taulu (Switch Table) (alunperin tyhjä) 47

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 parhaan reitin valinta hitaampi paketin prosessointi kuin kytkimessä Kytkimet ylläpitää kytkintaulua oppivat algoritmit yleislähetysprotokollat (esim. ARP) rajoittaa topologiaa ja verkon kokoa päätelaite kytkin reititin päätelaite 48

Luennon sisältö Linkkikerros Virheenkorjaus Pariteetit, tarkistesummat ja CRC Jaetut linkit: monipääsyprotokollat (multiple access) Lähiverkko (LAN) Linkkikerroksen osoitteet Myös ARP Ethernet Kytkin ja keskitin WLAN IEEE standardi 802.11 49

Langattoman verkon (WLAN) käsitteitä Keskitytään vain IEEE:n standardoimaan 802.11 WLAN:iin Tietokoneita, joissa WLAN adapteri (uusissa koneissa usein osa emolevyä) verkko infrastruktuuri WLAN tukiasema (Access Point) Tukiasema välittää paketteja langallisen verkon ja langattomien tietokoneiden välillä toimialueellaan infrastruktuuri moodi tukiasema yhdistää terminaalit langallisen verkkoon Hand-off: terminaali vaihtaa tukiasemaa, joka tarjoaa liitännän langallisen verkkoon 50

802.11 WLAN arkkitehtuuri AP Internet hub, kytkin tai reititin Infrastruktuurimoodi: kaikki liikenne aina tukiaseman kautta ad hoc moodi: vain tietokoneita, joka kommunikoivat suoraan keskenään Basic Service Set (BSS) (eli solu ) infrastruktuuri moodissa sisältää: langattomia laitteita tukiasemia (AP) BSS 1 AP BSS 2 51

IEEE 802.11 WLAN: Monipääsy Vältetään törmäyksiä (CA= Collision Avoidance). Kaksi asemaa saattavat lähettää samaan aikaan 802.3: CSMA/CD kanavaa kuunnellaan ennen lähetystä, ei törmätä meneillään olevaan transmissioon. 802.11 erilainen: ei törmäyksen havaitsemista! vastaanottajan on vaikea havaita törmäyksiä kun vastaanotettu signaali heikko (fading =häipymä) kaikkia törmäyksiä ei havaita joka tapauksessa : piilotettu terminaali, fading => tavoite: vältetään törmäyksiä: CSMA/CA (Collision Avoidance) A C B A B C A:n signaalin voimakkuus C:n signaalin voimakkuus paikka 52

CSMA/CA 802.11 lähettäjä 1 jos havaitaan vapaa kanava DIFS:n ajan, lähetetään koko kehys (ei CD) 2 jos havaitaan kanava varatuksi, Asetetaan satunnainen odotus (backoff) aika (laskurille määrätty satunnaisluku) Kun laskuri päässyt nollaan ja kanava vapaa voidaan lähettää jos ei ACK, lisätään satunnainen backoff väliaika, toistetaan 2 802.11 vastaanottaja - jos kehys vastaanotetulle datalle OK palautetaan ACK SIFS odotusajan jälkeen. ACK tarvitaan piilotetun terminaalin ongelman takia. DIFS = DCF Interframe Spacing SIFS = Short Interfarme Spacing DIFS lähettäjä data ACK vastaanottaja SIFS Miksi DIFS? Esim. kaksi lähettäjää odottaa kolmannen hiljenemistä. Ilman DIFS, molemmat lähettäisi heti kolmannen lopetettua -> törmäys jota ei havaita (ei CD) DIFS 53

CSMA/CA Miksi DIFS/SIFS? Voidaan priorisoida eri kehyksiä SIFS < DIFS -> kuittaukset saavat prioriteetin Miksi satunnainen odotus? Esim. kaksi lähettäjää odottaa kolmannen hiljenemistä. Ilman odotusta, molemmat lähettäisi heti kolmannen lopetettua -> törmäys jota ei havaita (ei CD) -> koko kehykset lähetetään turhaan odotus satunnainen joten eri odotusajat -> toinen aloittaa ensin -> toinen havaitsee ensin aloittaneen ja jatkaa odotusta 54

RTS/CTS Vältetään datakehyksien törmäykset kokonaan käyttämällä pieniä varauspaketteja! Lähettäjä varaa kanavan satunnaisen pääsyn sijasta lähettäjä lähettää Request-To-Send (RTS) paketin tukiasemalle normaali CSMA Tukiasema vastaa Clear-To-Send (CTS) kehyksellä Muut kuulevat CTS signaalin (oletetaan, että tukiasema keskellä ) lähettäjä lähettää datakehyksen Muut asemat viivästävät lähetyksiä Hyvää: Datakehykset eivät törmäile RTS kehykset pieniä -> niiden törmäykset ei vakavaa Ratkaisee piilotettu terminaali -ongelman Huonoa: Varauspaketit lisää viivettä ja vie resursseja -> voidaan käyttää vain isojen kehysten lähettämiseen (pienempi overhead) 55

Törmäysten välttäminen (Collision Avoidance, CA): RTS-CTS A B AP Mahdollisuus törmäykseen DATA (A) odota aika RTS = Request To Send, lähetyspyyntö CTS = Clear To Send, saa lähettää 56

802.11: Kehys ja osoitteistus kehys kontrolli 2 2 6 6 6 2 6 0-2312 4 kesto osoite 1 osoite 2 osoite 3 seq control osoite 4 DATA CRC Osoite 1: Langattoman tietokoneen MAC osoite tai sen AP:n osoite, joka vastaanottaa kehyksen Osoite 3: MAC osoite reitittimelle, johon AP liitetty Osoite 2: Langattoman tietokoneen MAC osoite tai kehyksen lähettävän AP:n MAC osoite Osoite 4: käytetään ad hoc moodissa (Ei AP:tä) 57

802.11: Kehys ja osoitteistus H1 R1 reititin Internet AP R1 MAC addr H1 MAC addr kohde osoite lähde osoite 802.3 kehys AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr osoite 1 osoite 2 osoite 3 802.11 kehys 58

802.11: Virransäästö Lisää nukkumismoodin päätelaitteen toimintakaavioon Päätelaite nukkuu koordinoidusti AP:n kanssa yhteistyössä Päätelaite kertoo AP:lle: Menen nukkumaan seuraavaan beaconiin asti AP ei lähetä kehyksiä päätelaitteelle Päätelaite herää ennen seuraavaa beaconia Beacon kehys: lista päätelaitteista joille AP:lla on kehyksiä odottamassa Päätelaite pyytää AP:lta kehykset Päätelaite takaisin nukkumaan seuraavaan beaconiin asti Nukkumismoodi kuluttaa kymmenen kertaa vähemmän virtaa kuin idle-moodi Käytännössä usein adaptiivinen mekanismi käytössä Ajastin: jos ei kehyksiä 100ms kuluessa -> nukkumaan Vähentää viivettä 59

Yhteenveto Periaatteet datalinkki kerroksen palveluissa: virheiden havainti, korjaus Ethernetissä jaettu (broadcast) kanava: monipääsy linkkikerroksella oma osoitteistus MAC osoitteet Uniikkeja, ei vaihdu kuten IP osoitteet ARP: IP -> MAC osoitteenhaku Eri linkkikerros standardeilla omat toteutusteknologiat 802.3 Ethernet ja kytketty Ethernet 802.11 WiFi Langattomissa verkoissa eri menetelmät törmäysten hallintaan törmäysten välttely: CSMA/CA RTS/CTS signalointi piilotetun terminaalin ongelman välttämiseksi Virheiden havaitseminen ja korjaaminen tärkeää verkon liian kuormittumisen välttämiseksi langattomissa verkoissa erityisen tärkeää koska bittivirheet yleisiä 60

Tulevilla luennolla Tietoverkkojen turvallisuudesta Tietoturvallisuus Uhkia ja hyökkäyksiä verkossa Tietoverkkojen turvaratkaisuja Tiedonsiirron perusteita ja fyysinen kerros Miten kehykset siirretään kaapeleissa, kuidussa ja radioaalloilla solmusta seuraavaan (linkkien väli) pitkiäkin matkoja Signaalin (mm. puheen) näytteenotto ja koodaus, 64 kb/s puhelinsignaali. Bittinopeudet, bittivirhesuhde. Kanavanjako / multipleksointi: Aikajako, taajuusjako, koodijako Siirron rajoitukset: Kohina, häiriöt radiotaajuuksien tai kaistan riittäminen Yhteys linkkikerroksen ja fyysisen kerroksen välillä 61

Jatkokursseilla Liikkuvuudenhallintaa Data centerit ja L2/L3 Optimoidut verkkoarkkitehtuurit ja protokollat MPLS (L2.5) Lisää virrankulutuksesta Mittaaminen, mallintaminen ja optimointi 62

Kysymyksiä Miksi Ethernet-kaapelilla on maksimipituus? Miten linkkikerroksella havaitaan ja korjataan virheitä? Miksi linkkikerroksen protokollissa on alku- ja loppumerkkejä? Miksi tarvitaan monipääsyprotokollia? Miksi Ethernetin ja WLANin törmäystenhallinta on erilaista? Mitä eroa on kytkimellä ja reitittimellä? 63