Chapter 5 Link Layer and LANs A note 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 note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note 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 (1/3) 1 Siirtoyhteyskerros Tavoitteet: Ymmärtää periaatteet siirtoyhteyskerroksen palvelujen taustalla: virheiden havaitseminen ja korjaaminen yleislähetyskanavan jakaminen: monipääsy (multiple access) siirtoyhteyskerroksen osoitteistus luotettava tiedonsiirto ja vuonvalvonta: done! Joidenkin siirtoyhteyskerroksen teknologioiden ominaisuudet ja toteutus Siirtoyhteyskerros (1/3) 2 1
Siirtoyhteyskerros Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Ethernet Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: ATM ja MPLS Langattomat verkot Siirtoyhteyskerros (1/3) 3 Siirtoyhteyskerros: johdantoa Termejä: päätelaitteet ja reitittimet ovat solmuja kommunikointikanavat, jotka yhdistävät viereisiä solmuja kommunikointipolulla, ovat linkkejä langalliset linkit langattomat linkit lähiverkot (LAN) kerroksen 2 paketti on kehys, joka kapseloi datagrammin linkki Siirtoyhteyskerroksen (linkkikerroksen) vastuulla on datagrammin siirto naapurisolmujen välillä linkin yli Siirtoyhteyskerros (1/3) 4 2
Siirtoyhteyskerros: konteksti Datagrammit siirretään erilaisilla linkkiprotokollilla eri linkkien yli esim. Ethernet ensimmäisellä linkillä, frame relay seuraavilla linkeillä, 802.11 viimeisellä linkillä Jokainen linkkiprotokolla tarjoaa erilaisia palveluja esim. tarjoaa tai ei tarjoa luotettavan tiedonsiirron linkin yli Matkustus-analogia matka Jyväskylästä Tukholmaan juna: Jyväskylä-Turku laiva: Turku-Tukholma metro: satama-keskusta turisti = datagrammi yksi matkan osuus = kommunikaatiolinkki matkustusmuoto = siirtoyhteyskerroksen protokolla matkatoimisto = reititysalgoritmi Siirtoyhteyskerros (1/3) 5 Siirtoyhteyskerroksen palvelut (1) Kehystys, linkille pääsy: kapseloidaan datagrammi kehykseen, lisätään otsikkokentät (header, trailer) kanavalle pääsy, jos jaettu media MAC -osoitteita käytetään kehyksen otsikossa identifioimaan lähde ja kohde ei sama kuin IP-osoite! Luotettava tiedonsiirto vierekkäisten solmujen välillä: opimme jo, miten tämä toteutetaan (kuljetuskerroksella)! käytetään harvoin linkeillä, joissa tapahtuu vähän bittivirheitä (kuitu, parikaapeli) langattomat linkit: paljon virheitä Q: Miksi sekä linkkitason että päästä-päähän luotettavuus? Siirtoyhteyskerros (1/3) 6 3
Siirtoyhteyskerroksen palvelut (2) Vuonvalvonta: vierekkäisten solmujen välisen tiedonsiirron nopeuden sääntelyä Virheiden havaitseminen: virheitä aiheuttavat signaalin vaimeneminen ja kohina kun vastaanottaja havaitsee virheen, se pyytää lähettäjää uudelleenlähettämään tai vain hylkää kehyksen Virheiden korjaus: vastaanottaja tunnistaa ja korjaa bittivirheet sen sijaan, että turvauduttaisiin uudelleenlähetyksiin Half-duplex tai full-duplex: half-duplex: solmut linkin molemmissa päissä voivat lähettää, mutta eivät samaan aikaan full-duplex: tiedonsiirto molempiin suuntiin samanaikaisesti Siirtoyhteyskerros (1/3) 7 Adapterit kommunikoivat sending node datagram frame link layer protocol frame rcving node adapter adapter Siirtoyhteyskerros toteutettu adapterissa (network interface controller, NIC) Ethernet-verkkokortti, 802.11-verkkokortti, Lähettäjä kapseloi datagrammin kehykseen lisää bitit virheidentarkistusta, luotettavuutta, vuonvalvontaa jne. varten Vastaanottaja tarkistaa virheet, luotettavuuden, vuonvalvonnan jne. poimii datagrammin ja toimittaa sen ylemmälle kerrokselle Siirtoyhteyskerroksen ja fyysisen kerroksen toteutus Siirtoyhteyskerros (1/3) 8 4
Siirtoyhteyskerros Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Ethernet Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: ATM ja MPLS Langattomat verkot Siirtoyhteyskerros (1/3) 9 Virheiden havaitseminen EDC = Error Detection and Correction bits (redundancy) D = Data, jota suojellaan virheiden tarkistuksella, voi sisältää otsikkokenttiä Virheiden havaitseminen ei ole 100% luotettavaa! protokollalta voi jäädä joitain virheitä huomaamatta (harvoin) suurempi EDC-kenttä parantaa virheiden havaitsemista ja korjaamista Siirtoyhteyskerros (1/3) 10 5
Pariteettitarkistus Yhden bitin pariteetti: Havaitsee yhden bitin virheet Kaksiulotteinen pariteetti: Havaitsee ja korjaa yhden bitin virheet 0 0 Siirtoyhteyskerros (1/3) 11 Internet-tarkistussumma Käytetään kuljetuskerroksella (TCP,UDP) ja verkkokerroksella (IP), mutta ei siirtoyhteyskerroksella Lähettäjä: käsitellään sisältö jonona 16 bitin kokonaislukuja tarkistussumma: yhden komplementti kokonaislukujen yhden komplementti -summasta laittaa tarkistussumman arvon checksum-kenttään Vastaanottaja: laskee tarkistussumman vastaanotetusta paketista tarkistaa, vastaako laskettu tarkistussumma checksumkentässä olevaa arvoa: EI - virhe havaittu KYLLÄ - virhettä ei havaittu Siirtoyhteyskerros (1/3) 12 6
Cyclic Redundancy Check Tulkitaan databitit, D, binääriseksi numeroksi Valitaan r+1 bitin kuvio (generaattori), G Valitaan r CRC-bittiä, R, siten että <D,R> on tasan jaollinen G:llä (modulo 2) Vastaanottaja tuntee G:n, jakaa <D,R>:n G:llä; jos tulee nollasta eroava jakojäännös: virhe havaittu! Voi havaita kaikki virheet, jos virheellisiä bittejä on vähemmän kuin r+1 Käytetään laajasti Siirtoyhteyskerros (1/3) 13 CRC: esimerkki Halutaan: D. 2 r XOR R = ng tai ekvivalentisti: D. 2 r = ng XOR R tai ekvivalentisti: jos jaetaan D. 2 r G:llä (modulo 2), jakojäännös on R R = remainder[ ] D. 2 r G Siirtoyhteyskerros (1/3) 14 7
Siirtoyhteyskerros Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Ethernet Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: ATM ja MPLS Langattomat verkot Siirtoyhteyskerros (1/3) 15 Monipääsylinkit ja -protokollat Kahdentyyppisiä linkkejä : Pisteestä-pisteeseen (point-to-point) modeemi linkki Ethernet-kytkimen ja päätelaitteen välillä Yleislähetys, broadcast (jaettu media) perinteinen Ethernet kaapelimodeemi 802.11 WLAN Siirtoyhteyskerros (1/3) 16 8
Monipääsyprotokollat Yksi jaettu yleislähetyskanava Kaksi solmua (tai useampi) lähettää samanaikaisesti: häiriöitä törmäys, jos solmu vastaanottaa useita signaaleja samaan aikaan Multiple access protocol Hajautettu algoritmi, joka määrittelee, kuinka solmut jakavat kanavan, eli määrittelee, milloin solmu voi lähettää Neuvotteluun kanavan jaosta täytyy käyttää samaa jaettua kanavaa! ei out-of-band-kanavaa koordinointiin Siirtoyhteyskerros (1/3) 17 Ideaalinen monipääsyprotokolla Yleislähetyskanava, jonka nopeus R bps 1. Kun yksi solmu haluaa lähettää, se voi lähettää nopeudella R 2. Kun M solmua haluaa lähettää, jokainen solmu voi lähettää keskimäärin nopeudella R/M 3. Täysin hajautettu: ei erityistä solmua lähetysten koordinointiin ei kellojen tai aikavälien synkronointia 4. Yksinkertainen Siirtoyhteyskerros (1/3) 18 9
MAC-protokollat: luokitus Kolme laajaa luokkaa: Kanavan osittaminen jaetaan kanava pienempiin palasiin (aikavälit, taajuus, koodi) varataan palanen vain tietyn solmun käyttöön Hajasaanti (random access) kanavaa ei jaettu, hyväksytään törmäykset selviydytään törmäyksistä Vuorottelu solmut lähettävät omalla vuorollaan solmut, joilla on enemmän lähetettävää, voivat saada pidempiä vuoroja Siirtoyhteyskerros (1/3) 19 Kanavan osittavia protokollia: TDMA TDMA: time division multiple access Pääsy kanavalle kierroksittain" Jokainen päätelaite saa kiinteän pituisen aikavälin (pituus = paketin lähetysaika) jokaisella kierroksella Jos laite ei lähetä, aikaväli on käyttämättömänä Esimerkki: 6 laitetta; laitteet 1,3,4 lähettävät; laitteilla 2,5,6 ei lähetettävää Siirtoyhteyskerros (1/3) 20 10
frequency frequency bands Kanavan osittavia protokollia: FDMA FDMA: frequency division multiple access Kanavan spektri jaetaan taajuuskaistoiksi Jokainen päätelaite saa kiinteän taajuuskaistan Jos laite ei lähetä, taajuuskaista on käyttämättömänä Esimerkki: 6 laitetta; laitteet 1,3,4 lähettävät; laitteilla 2,5,6 ei lähetettävää Siirtoyhteyskerros (1/3) 21 Kanavan osittavia protokollia: CDMA CDMA: code division multiple access Kanava jaetaan osiin koodeilla Jokainen päätelaite käyttää samaa taajuuskaistaa samaan aikaan, mutta eri koodilla Esimerkiksi: UMTS Siirtoyhteyskerros (1/3) 22 11
Hajasaantiprotokollia Kun solmulla on paketti lähettävänä lähetetään kanavan täydellä tiedonsiirtonopeudella R ei a priori -koordinointia solmujen välillä Kaksi solmua (tai useampi) lähettää törmäys Hajasaantiprotokolla määrittelee: kuinka törmäykset havaitaan kuinka törmäyksistä selvitään (esim. viivästetyillä uudelleenlähetyksillä) Esimerkkejä hajasaantiprotokollista: slotted ALOHA ALOHA CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA Siirtoyhteyskerros (1/3) 23 Slotted ALOHA Oletukset Kaikki kehykset samankokoisia Aika jaettu samankokoisiin aikaväleihin; yhden kehyksen kuljettamiseen kuluu yksi aikaväli Solmut alkavat lähettää kehyksiä vain aikavälin alussa Solmut on synkronoitu Jos useampi solmu lähettää samalla aikavälillä, kaikki solmut havaitsevat törmäyksen Toiminta Kun solmulla on kehys lähetettävänä, se lähettää seuraavalla aikavälillä Jos ei törmäystä, solmu voi lähettää uuden kehyksen seuraavalla aikavälillä Jos törmäys, solmu uudelleenlähettää kehyksen jokaisella seuraavalla aikavälillä todennäköisyydellä p kunnes lähetys onnistuu Siirtoyhteyskerros (1/3) 24 12
Slotted ALOHA Hyödyt Yksi aktiivinen solmu voi lähettää jatkuvasti kanavan täydellä nopeudella Hyvin hajautettu: vain aikavälit täytyy sykronoida solmuissa Yksinkertainen Haitat Törmäykset -> tuhlataan aikavälejä Käyttämättömiä aikavälejä Solmut voivat havaita törmäyksen heti lähetyksen alussa -> odotetaan turhaan seuraavan aikavälin alkuun Kellojen synkronointi Siirtoyhteyskerros (1/3) 25 Pure (unslotted) ALOHA Unslotted Aloha: yksinkertaisempi, ei synkronointia Kun kehys lähetettävänä: lähetetään välittömästi Törmäysten todennäköisyys kasvaa: kehys, joka lähetetään ajanhetkellä t 0, törmää kehyksiin, jotka on lähetetty aikavälillä [t 0-1,t 0 +1] Siirtoyhteyskerros (1/3) 26 13
ALOHA: tehokkuus Tehokkuus: pitkällä aikavälillä onnistuneesti tiedonsiirtoon käytettyjen aikavälien osuus, kun monilla solmulla on useita kehyksiä lähetettävänä Slotted ALOHA Parhaimmillaan kanavaa käytetään hyödylliseen lähetykseen 37 % ajasta Pure ALOHA Tehokkuus vielä huonompi: 18 % Siirtoyhteyskerros (1/3) 27 CSMA CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Kuunnellaan kanavaa (kantoaaltoa) ennen kuin lähetetään: jos kanava havaitaan vapaaksi, lähetetään koko kehys jos kanava havaitaan varatuksi, lykätään lähetystä Analogia: älä keskeytä muita! Siirtoyhteyskerros (1/3) 28 14
CSMA: törmäykset solmujen sijainti verkossa Törmäyksiä voi silti tapahtua: etenemisviiveestä johtuen solmu ei välttämättä tiedä, että toinen solmu on jo lähettänyt Törmäys: koko paketin lähetykseen käytetty aika hukattu Huom: etäisyyden ja etenemisviiveen merkittävä rooli törmäysten todennäköisyyden määrittämisessä Siirtoyhteyskerros (1/3) 29 CSMA/CD CSMA/CD (Collision Detection) Kuunnellaan kanavaa, tarvittaessa lykätään lähetystä kuten CSMA:ssa törmäykset havaitaan lyhyessä ajassa törmäävät lähetykset keskeytetään -> vähentää kanavan tuhlausta Analogia: kohtelias keskustelija Törmäysten havaitseminen: helppoa langallisissa lähiverkoissa: mitataan signaalien voimakkuudet, verrataan lähetettyä ja vastaanotetua signaalia vaikeaa langattomissa lähiverkoissa: laitteet eivät näe aina toisiaan, vastaanottaja voi olla pois päältä lähetyksen aikana -> langattomissa usein CSMA/CA (Collision Avoidance) Siirtoyhteyskerros (1/3) 30 15
CSMA/CD: törmäysten havaitseminen Siirtoyhteyskerros (1/3) 31 Vuorotteluprotokollat Kanavan osittavat protokollat: jakavat kanavan tehokkasti ja reilusti, kun on suuri kuorma tehoton pienellä kuormalla: viive kanavalle pääsyssä, 1/N kaistasta allokoitu vaikka olisi vain yksi aktiivinen solmu! Hajasaantiprotokollat: tehokas pienellä kuormalla: yksi solmu voi käyttää täysin koko kanavan jos suuri kuorma, törmäykset vievät resursseja Vuorotteluprotokollat : pyritään yhdistämään edellisten parhaat puolet! Siirtoyhteyskerros (1/3) 32 16
Vuorotteluprotokollia Kiertokysely (pollaus, polling): isäntäsolmu kutsuu orjasolmut lähettämään vuorollaan haittoja: pollaukseen kuluvat resurssit saantiviive (latency) single point of failure (isäntä) Valtuuden (token) kierrättäminen: valtuus lähettää siirretään solmulta toiselle vuorotellen token-viesti haittoja: kierrättämiseen kuluvat resurssit saantiviive (latency) single point of failure (token) Siirtoyhteyskerros (1/3) 33 MAC-protokollien yhteenveto Miten toimitaan, kun käytössä on jaettu media? Kanavan ositus ajan, taajuuden tai koodin mukaan TDMA, FDMA, CDMA Satunnainen ositus (dynaaminen) ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD kantoaallon kuuntelu: helppoa joissain teknologioissa (langalliset), vaikeaa toisissa (langattomat) CSMA/CD: käytetään Ethernetissä CSMA/CA: käytetään 802.11:ssä (WLAN) Vuorottelu pollaus keskussolmulta, tokenin kierrättäminen Siirtoyhteyskerros (1/3) 34 17