Chapter 5 Link Layer and LNs Chapter 6 (part) Wireless Networks 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 ll material copyright 996-2004 J.F Kurose and K.W. Ross, ll Rights Reserved Computer Networking: Top Down pproach Featuring the Internet, 3 rd edition. Jim Kurose, Keith Ross ddison-wesley, July 2004. Tavoitteet: Ymmärtää periaatteet siirtoyhteyskerroksen palvelujen taustalla: virheiden havaitseminen ja korjaaminen yleislähetyskanavan jakaminen: monipääsy (multiple access) siirtoyhteyskerroksen osoitteistus luotettava tiedonsiirto ja vuonvalvonta: done! Joidenkin siirtoyhteyskerroksen teklogioiden ominaisuudet ja toteutus 2 Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: TM ja MPLS Langattomat verkot : johdantoa Termejä: päätelaitteet ja reitittimet ovat solmuja kommunikointikanavat, jotka yhdistävät viereisiä solmuja kommunikointipolulla, ovat linkkejä langalliset linkit langattomat linkit lähiverkot (LN) kerroksen 2 paketti on kehys, joka kapseloi datagrammin Siirtoyhteyskerroksen (linkkikerroksen) vastuulla on datagrammin siirto naapurisolmujen välillä linkin yli linkki 3 4 : konteksti Datagrammit siirretään erilaisilla linkkiprotokollilla eri linkkien yli esim. Ethernet ensimmäisellä linkillä, frame relay seuraavilla linkeillä, 802. 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 5 Siirtoyhteyskerroksen palvelut () Kehystys, linkille pääsy: kapseloidaan datagrammi kehykseen, lisätään otsikkokentät (header, trailer) kanavalle pääsy, jos jaettu media MC -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? 6
Siirtoyhteyskerroksen palvelut (2) Vuonvalvonta: vierekkäisten solmujen välisen tiedonsiirron peuden sääntelyä Virheiden havaitseminen: virheitä aiheuttavat signaalin vaimeneminen ja kohina kun vastaattaja havaitsee virheen, se pyytää lähettäjää uudelleenlähettämään tai vain hylkää kehyksen Virheiden korjaus: vastaattaja 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 7 dapterit kommunikoivat sending de datagram frame adapter link layer protocol toteutettu adapterissa (network interface controller, NIC) -verkkokortti, 802.-verkkokortti, Lähettäjä kapseloi datagrammin kehykseen lisää bitit virheidentarkistusta, luotettavuutta, vuonvalvontaa jne. varten frame adapter Vastaattaja rcving de tarkistaa virheet, luotettavuuden, vuonvalvonnan jne. poimii datagrammin ja toimittaa sen ylemmälle kerrokselle Siirtoyhteyskerroksen ja fyysisen kerroksen toteutus 8 Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: TM ja MPLS Langattomat verkot Virheiden havaitseminen EDC = Error Detection and Correction bits (redundancy) D = Data, jota suojellaan virheiden tarkistuksella, voi sisältää otsikkokenttiä Virheiden havaitseminen ei ole 00% luotettavaa! protokollalta voi jäädä joitain virheitä huomaamatta (harvoin) suurempi EDC-kenttä parantaa virheiden havaitsemista ja korjaamista 9 0 Pariteettitarkistus Internet-tarkistussumma Yhden bitin pariteetti: Havaitsee yhden bitin virheet Kaksiulotteinen pariteetti: Havaitsee ja korjaa yhden bitin virheet Käytetään kuljetuskerroksella (TCP,UDP) ja verkkokerroksella (IP), mutta ei siirtoyhteyskerroksella 0 0 Lähettäjä: käsitellään sisältö jona 6 bitin kokonaislukuja tarkistussumma: yhden komplementti kokonaislukujen yhden komplementti -summasta laittaa tarkistussumman arvon checksum-kenttään Vastaattaja: laskee tarkistussumman vastaatetusta paketista tarkistaa, vastaako laskettu tarkistussumma checksumkentässä olevaa arvoa: EI - virhe havaittu KYLLÄ - virhettä ei havaittu 2 2
Cyclic Redundancy Check Tulkitaan databitit, D, binääriseksi numeroksi Valitaan r+ bitin kuvio (generaattori), G Valitaan r CRC-bittiä, R, siten että <D,R> on tasan jaollinen G:llä (modulo 2) Vastaattaja tuntee G:n, jakaa <D,R>:n G:llä; jos tulee llasta eroava jakojäännös: virhe havaittu! Voi havaita kaikki virheet, jos virheellisiä bittejä on vähemmän kuin r+ Käytetään laajasti 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 D R. 2 r = remainder[ ] G 3 4 Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: TM ja MPLS Langattomat verkot 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. WLN 5 6 Monipääsyprotokollat Yksi jaettu yleislähetyskanava Kaksi solmua (tai useampi) lähettää samanaikaisesti: häiriöitä törmäys, jos solmu vastaattaa 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 koordiintiin Ideaalinen monipääsyprotokolla Yleislähetyskanava, jonka peus R bps. Kun yksi solmu haluaa lähettää, se voi lähettää peudella R 2. Kun M solmua haluaa lähettää, jokainen solmu voi lähettää keskimäärin peudella R/M 3. Täysin hajautettu: ei erityistä solmua lähetysten koordiintiin ei kellojen tai aikavälien synkrointia 4. Yksinkertainen 7 8 3
frequency bands frequency MC-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 Kanavan osittavia protokollia: TDM TDM: 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,3,4 lähettävät; laitteilla 2,5,6 ei lähetettävää 9 20 Kanavan osittavia protokollia: FDM FDM: frequency division multiple access Kanavan spektri jaetaan taajuuskaistoiksi Jokainen päätelaite saa kiinteän taajuuskaistan Jos laite ei lähetä, taajuuskaista on käyttämättömänä Esimerkki: 6 laitetta; laitteet,3,4 lähettävät; laitteilla 2,5,6 ei lähetettävää Kanavan osittavia protokollia: CDM CDM: code division multiple access Kanava jaetaan osiin koodeilla Jokainen päätelaite käyttää samaa taajuuskaistaa samaan aikaan, mutta eri koodilla Esimerkiksi: UMTS 2 22 Hajasaantiprotokollia Slotted LOH Kun solmulla on paketti lähettävänä lähetetään kanavan täydellä tiedonsiirtopeudella R ei a priori -koordiintia solmujen välillä Kaksi solmua (tai useampi) lähettää törmäys Hajasaantiprotokolla määrittelee: kuinka törmäykset havaitaan kuinka törmäyksistä selvitään (esim. viivästetyillä uudelleenlähetyksillä) Esimerkkejä hajasaantiprotokollista: slotted LOH LOH CSM, CSM/CD, CSM/C 23 Oletukset Kaikki kehykset samankokoisia ika jaettu samankokoisiin aikaväleihin; yhden kehyksen kuljettamiseen kuluu yksi aikaväli Solmut alkavat lähettää kehyksiä vain aikavälin alussa Solmut on synkroitu 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 24 4
Slotted LOH Hyödyt Yksi aktiivinen solmu voi lähettää jatkuvasti kanavan täydellä peudella Hyvin hajautettu: vain aikavälit täytyy sykroida solmuissa Yksinkertainen Haitat Törmäykset -> tuhlataan aikavälejä Käyttämättömiä aikavälejä Solmut voivat havaita törmäyksen heti lähetyksen alussa -> odotetaan turhaan seuraavan aikavälin alkuun Kellojen synkrointi 25 Pure (unslotted) LOH Unslotted loha: yksinkertaisempi, ei synkrointia Kun kehys lähetettävänä: lähetetään välittömästi Törmäysten todennäköisyys kasvaa: kehys, joka lähetetään ajanhetkellä t 0, törmää kehyksiin, jotka on lähetetty aikavälillä [t 0 -,t 0 +] 26 LOH: tehokkuus Tehokkuus: pitkällä aikavälillä onnistuneesti tiedonsiirtoon käytettyjen aikavälien osuus, kun monilla solmulla on useita kehyksiä lähetettävänä Slotted LOH Parhaimmillaan kanavaa käytetään hyödylliseen lähetykseen 37 % ajasta Pure LOH Tehokkuus vielä huompi: 8 % CSM CSM (Carrier Sense Multiple ccess) Kuunnellaan kanavaa (kantoaaltoa) ennen kuin lähetetään: jos kanava havaitaan vapaaksi, lähetetään koko kehys jos kanava havaitaan varatuksi, lykätään lähetystä nalogia: älä keskeytä muita! 27 28 CSM: törmäykset 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 solmujen sijainti verkossa 29 CSM/CD CSM/CD (Collision Detection) Kuunnellaan kanavaa, tarvittaessa lykätään lähetystä kuten CSM:ssa törmäykset havaitaan lyhsä ajassa törmäävät lähetykset keskeytetään -> vähentää kanavan tuhlausta nalogia: kohtelias keskustelija Törmäysten havaitseminen: helppoa langallisissa lähiverkoissa: mitataan signaalien voimakkuudet, verrataan lähetettyä ja vastaatetua signaalia vaikeaa langattomissa lähiverkoissa: laitteet eivät näe aina toisiaan, vastaattaja voi olla pois päältä lähetyksen aikana -> langattomissa usein CSM/C (Collision voidance) 30 5
CSM/CD: törmäysten havaitseminen Vuorotteluprotokollat Kanavan osittavat protokollat: jakavat kanavan tehokkasti ja reilusti, kun on suuri kuorma tehoton pienellä kuormalla: viive kanavalle pääsyssä, /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! 3 32 Vuorotteluprotokollia MC-protokollien yhteenveto 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) Miten toimitaan, kun käytössä on jaettu media? Kanavan ositus ajan, taajuuden tai koodin mukaan TDM, FDM, CDM Satunnainen ositus (dynaaminen) LOH, S-LOH, CSM, CSM/CD kantoaallon kuuntelu: helppoa joissain teklogioissa (langalliset), vaikeaa toisissa (langattomat) CSM/CD: käytetään Ethernetissä CSM/C: käytetään 802.:ssä (WLN) Vuorottelu pollaus keskussolmulta, tokenin kierrättäminen 33 34 Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: TM ja MPLS Langattomat verkot MC-osoitteet 32 bitin IP-osoite: verkkokerroksen osoite käytetään datagrammin siirtämiseen kohteen IPaliverkkoon MC-osoite (LN-, fyysinen, Ethernetosoite): käytetään datagrammin siirtämiseen kahden fyysisesti yhdistetyn liittymän välillä (samassa verkossa) 48 bitin MC-osoite (useimmissa LNeissa) on poltettu adapterin ROM-muistiin 35 36 6
MC-osoitteet Jokaisella adapterilla on yksikäsitteinen MC-osoite 7-65-F7-2-08-53 LN (wired or wireless) -2F--76-09-D 58-23-D7-F-20-0 0C-C4--6F-E3-98 roadcast address = FF-FF-FF-FF-FF-FF = adapter MC-osoitteet MC-osoitteiden allokointia hallini IEEE Valmistaja ostaa osan MC-osoiteavaruudesta (varmistetaan yksikäsitteisyys) nalogia: (a) MC-osoite: kuin henkilötunnus (b) IP-osoite: kuin postiosoite MC-osoite ei hierarkkinen siirrettävyys voidaan siirtää LN-kortteja verkosta toiseen IP-osoite on hierarkkinen ei siirrettävissä riippuu IP-aliverkosta, jossa laite on 37 38 RP: ddress Resolution Protocol RP-protokolla: sama LN Q: Miten määritellään laitteen MC-osoite, kun tiedetään sen IP-osoite? 237.96.7.23 7-65-F7-2-08-53 237.96.7.88 LN 237.96.7.78-2F--76-09-D 237.96.7.4 58-23-D7-F-20-0 0C-C4--6F-E3-98 Jokaisella lähiverkon IP-solmulla (päätelaite, reititin) RP-taulukko RP-taulukko: IP/MC- osoitteiden vastaavuudet osalle lähiverkon solmuista < IP address; MC address; TTL> TTL (Time To Live): aika, jonka jälkeen vastaavuus poistetaan taulukosta (esim. 20 min) 39 haluaa lähettää datagrammin :lle, mutta :n MC-osoite ei ole :n RP-taulukossa lähettää yleislähetyksenä (broadcast) RP-kyselyn, joka sisältää :n IP-osoitteen: kohde MC-osoite = FF-FF-FF-FF-FF-FF kaikki laitteet samassa LNissa vastaattavat RPkyselyn vastaattaa RP-kyselyn, vastaa :lle omalla MCosoitteellaan vastaus lähetetään :n MCosoitteeseen (unicast) tallentaa IP-MCosoiteparin omaan RPtaulukkoonsa, kunnes tieto vanhenee (time to live) tieto häviää taulukosta ellei sitä virkistetä RP on plug-and-play : solmut luovat RPtaulukkonsa ilman verkon ylläpitäjän toimia 40 Reititys toiseen LNiin Lähetetään datagrammi :lta :lle reitittimen R kautta Oletetaan, että tietää :n IP-osoitteen Reititys toiseen LNiin (jatkuu) luo datagrammin, jossa lähteenä :n IP-osoite... ja kohteena :n IP-osoite 222.222.222.222 katsoo reititys(forwardointi)taulukostaan, minne pitäisi lähettää; koska eri LNissa, lähetys oletusreitittimelle R käyttää RPia saadakseen R:n liitynnän MC-osoitteen IPosoitteessa...0 saa vastauksena liitynnän MC-osoitteen E6-E9-00-7--4 Reitittimellä R on kaksi RP-taulukkoa, yksi kummallekin IP-aliverkolle (LNille) R R 4 42 7
Reititys toiseen LNiin (jatkuu) luo siirtoyhteyskerroksen Ethernet-kehyksen, jossa lähteenä :n MC-osoite 74-29-9C-E8-FF-55, kohteena R:n MC-osoite E6-E9-00-7--4 ja hyötykuormana IP-datagrammi :lta :lle :n adapteri lähettää kehyksen; R:n adapteri vastaattaa sen R poistaa datagrammin Ethernet-kehyksestä; näkee että se on tarkoitettu :lle LN2-aliverkossa R katsoo reititys(forwardointi)taulukostaan, minne pitäisi lähettää; lähetys LN2-liitynnästä Reititys toiseen LNiin (jatkuu) R käyttää RPia saadakseen :n liitynnän MC-osoitteen IPosoitteessa 222.222.222.222 R saa vastauksena liitynnän MC-osoitteen 49-D-D2-C7-56-2 R luo siirtoyhteyskerroksen Ethernet-kehyksen, jossa lähteenä R:n MC-osoite -23-F9-CD-06-9, kohteena :n MC-osoite 49-D-D2-C7-56-2 ja hyötykuormana IP-datagrammi :lta :lle R:n adapteri lähettää kehyksen; :n adapteri vastaattaa sen poistaa datagrammin Ethernet-kehyksestä; toimittaa sovellukselle R R 43 44 Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: TM ja MPLS Langattomat verkot Ethernet Hallitseva langallinen lähiverkkoteklogia: Ensimmäinen laajalti käytetty LN-teklogia Yksinkertaisempi ja halvempi kuin token-lnit tai TM On pysynyt mukana peuskisassa : 0 Mbps 0 Gbps Metcalfe s Ethernet sketch 45 46 Tähtitopologia Manchester-koodaus Väylätopologia oli yleinen 990-luvun puoliväliin asti Nykyisin käytetään enimmäkseen tähtitopologiaa Kytkentävaihtoehdot: keskitin tai kytkin or switch Yleinen koodaustapa (mm. Ethernet) Jokainen bitti ilmaistaan signaalin muutoksella Mahdollistaa kellojen synroinnin ilman keskitettyä, globaalia kelloa Mutta tämä on fyysisen kerroksen asiaa 47 48 8
Ethernetin kehysrakenne Lähettävä adapteri kapseloi IP-datagrammin (tai muun verkkokerroksen protokollapaketin) Ethernet-kehykseen Preamble: 7 tavua bittikuviolla 0000, minkä jälkeen yksi tavu bittikuviolla 000 käytetään sykroimaan lähettäjän ja vastaattajan kellot Kehyksen päättyminen: kehyksen jälkeen on 2 tavua tyhjää 49 Ethernetin kehysrakenne Osoitteet: 6 tavua Jos adapteri vastaattaa kehyksen, jossa kohdeosoitteena oma osoite tai yleislähetysosoite (esim. RP-paketti), se toimittaa datan ylemmän kerroksen protokollalle Muuten adapteri hylkää kehyksen Type: 2 tavua ilmaisee ylemmän kerroksen protokollan (esim. IP tai RP) (Type on Ethernet II -standardissa; 802.3-standardissa tilalla on Length) CRC: 4 tavua vastaattaja tarkistaa; jos havaitaan virhe, kehys hylätään 50 Yhteydetön, epäluotettava palvelu Yhteydetön: ei kättelyä lähettävän ja vastaattavan adapterin välillä Epäluotettava: vastaattava adapteri ei lähetä kuittauksia lähettävälle adapterille verkkokerrokselle välitettävien datagrammien virrassa voi olla aukkoja aukot täytetään, jos sovellus käyttää TCP:tä muuten sovellus näkee aukot Ethernet käyttää CSM/CD:tä Ei kanavan ositusta dapteri ei lähetä, jos se havaitsee jonkun toisen adapterin lähettävän (carrier sense) Lähettävä adapteri keskeyttää lähetyksen, kun se havaitsee toisen samanaikaisen lähetyksen (collision detection) Ennen kuin yritetään uudelleenlähetystä, adapteri odottaa satunnaisen ajan (random access) 5 52 Ethernetin CSM/CD-algoritmi. dapteri vastaattaa datagrammin verkkokerrokselta ja luo kehyksen 2. Jos adapteri havaitsee kanavan käyttämättömäksi, se aloittaa kehyksen lähetyksen; jos se havaitsee kanavan varatuksi, se odottaa kunnes kanava on vapaana ja lähettää sitten 3. Jos koko kehys saadaan lähetettyä ilman että havaitaan törmäys, kehyksen lähetys on hoidettu! 4. Jos adapteri havaitsee toisen lähetyksen ennen kuin kehys on kokonaan lähetetty, se keskeyttää ja lähettää häiriösignaalin (jam signal) 5. Keskeytyksen jälkeen adapteri toteuttaa toimenpiteen exponential backoff: m:nnen törmäyksen jälkeen adapteri valitsee arvon K satunnaisesti väliltä {0,,2,,2 m -}, odottaa K 52 bitin ajan ja palaa sitten askeleeseen 2 Ethernetin CSM/CD-algoritmi Jam signal: varmistetaan, että kaikki lähettäjät huomaavat törmäyksen; 48 bittiä itin lähetysaika: 0. mikrosekuntia 0 Mbps Ethernetille; jos K=023, odotus kestää in 50 ms Exponential backoff: Tavoite: adaptoidaan uudelleenlähetykset arvioituun sen hetkiseen kuormaan paljon kuormaa: odotus on pidempi ensimmäinen törmäys: valitaan K joukosta {0,} toinen törmäys: valitaan K joukosta {0,,2,3} kymmenennen törmäyksen jälkeen: valitaan K aina joukosta {0,,2,3,4,,023} (6. törmäys: luovutetaan ) 53 54 9
CSM/CD: paketin koko Jotta solmu huomaisi törmäyksen, sen täytyy olla lähettämässä Mikä on pienin paketin koko, jotta törmäys voidaan havaita? Oletetaan, että :n ja :n välillä on etenemisviive t prop aloittaa lähetyksen hetkellä t 0 aloittaa lähetyksen hetkellä t 0 + t prop (vähän ennen kuin huomaa :n lähetyksen) huomaa törmäyksen heti ja lopettaa lähetyksen Mutta huomaa törmäyksen vasta hetkellä t 0 + 2t prop Joten: paketin pienin koko > 2 * max etenemisviive CSM/CD: paketin koko Esimerkki: 0 Mbps Ethernet -segmentin max pituus 500 m Voidaan yhdistää max viisi segmenttiä toistimilla -> 2500 m Nopeus kaapelissa in.8 * 0 8 m/s Lisätään toistimien, lähetinten ja vastaatinten viive -> in 25 mikrosekunnin etenemisviive yhteen suuntaan itin lähetysaika 0. mikrosekuntia -> paketin minimikoko in 500 bittiä IEEE määrittelee varmuuden vuoksi 52 bitin minimin 52 bittiä = 64 tavua = 46 tavua hyötykuormaa + 8 tavua otsikoita 55 56 CSM/CD: tehokkuus t prop = max etenemisaika kahden solmun välillä t trans = suurimman mahdollisen kehyksen lähetysaika efficiency 5t / prop t trans 0ase-T ja 00ase-T 0/00 Mbps peus T tarkoittaa parikaapelia (twisted pair) Jälkimmäistä kutsutaan myös nimellä Fast Ethernet (yleisin käytössä oleva standardi 00ase-TX) Max 00 m etäisyys solmun ja keskittimen välillä Lähestyy :stä kun t prop lähestyy llaa Lähestyy :stä kun t trans lähestyy ääretöntä Paljon tehokkaampi kuin LOH; silti hajautettu, yksinkertainen ja halpa twisted pair 57 58 Gigabit Ethernet Käyttää standardia Ethernet-kehysformaattia Mahdollistaa sekä pisteestä-pisteeseen-linkit että jaetut yleislähetyskanavat Jaetussa moodissa käytössä CSM/CD; vaatii lyhyet etäisyydet solmujen välille, jotta olisi tehokas Full duplex peudella Gbps pisteestäpisteeseen-linkeillä Nykyään 0 Gbps ja 00 Gbps standardeja! Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: TM ja MPLS Langattomat verkot 59 60 0
Keskittimet Keskitin () on oleellisesti fyysisen kerroksen toistin: bitit, jotka tulevat yhdestä linkistä, kopioidaan muihin linkkeihin samalla peudella, ilman kehysten puskurointia ei CSM/CD:tä keskittimillä, vaan törmäykset havaitaan adaptereilla tarjoavat joitain verkonhallinnan toimenpiteitä Verkottuminen keskittimillä Runkoverkon keskitin yhdistää LN-segmentit Kasvattaa solmujen välistä maksimietäisyyttä Mutta erilliset segmenttien törmäysalueet yhdistyvät yhdeksi suureksi törmäysalueeksi Ei voida yhdistää eri peudella toimivia teklogioita (esim. 0ase-T ja 00ase-T) twisted pair 6 62 Kytkin Siirtoyhteyskerroksen laite -kehysten tallennus ja jatkolähetys tutkii kehyksen otsikot ja forwardoi ne valikoiden kohde MC-osoitteen perusteella kun kehystä forwardoidaan segmenttiin, käytetään CSM/CD:tä segmentille pääsyyn Läpinäkyvä päätelaitteet eivät tiedä kytkinten olemassaolosta Plug-and-play, itseoppiva kytkimiä ei tarvitse konfiguroida Forwardointi 2 3 switch Miten määritellään, mihin LN-segmenttiin kehys pitäisi forwardoida? Näyttää reititysongelmalta... 63 64 Itseoppiminen Kytkimellä on kytkintaulukko (switch table) Taulukossa on tiedot: (MC-osoite, liityntä, aikaleima) vanhat tiedot poistetaan (TTL esimerkiksi 60 min) Kytkin oppii, mitkä päätelaitteet voidaan tavoittaa minkäkin liittymän kautta: kun kehys vastaatetaan, kytkin oppii lähettäjän sijainnin: sisääntuleva LN-segmentti tallentaa lähettäjä-sijainti-parin kytkintaulukkoon Suodatus/jatkolähetys Kun kytkin vastaattaa kehyksen: Käydään läpi kytkintaulukko etsien kohde MC-osoitetta if entry found for destination then{ if dest on segment from which frame arrived then drop the frame else forward the frame on interface indicated } else flood forwardoi kaikkiin liittymiin, paitsi siihen, josta kehys vastaatettiin 65 66
Kytkin: esimerkki Oletetaan, että C lähettää kehyksen D:lle Kytkin: esimerkki (jatkuu) Oletetaan, että D vastaa C:lle switch 2 3 address I E G interface 2 3 switch 2 3 address I E G C interface 2 3 C D E F G H C D E F G H Kytkin vastaattaa kehyksen C:ltä C ei ole vielä taulukossa; taulukkoon lisätään, että C on liittymän takana D ei ole taulukossa; forwardoidaan kehys liittymiin 2 ja 3 D vastaattaa kehyksen 67 Kytkin vastaattaa kehyksen D:ltä D ei ole vielä taulukossa; taulukkoon lisätään, että D on liittymän 2 takana C on taulukossa; forwardoidaan kehys vain liittymään C vastaattaa kehyksen 68 Kytkin: liikenteen eristäminen Kytkin jakaa aliverkon LN-segmentteihin Kytkin suodattaa paketit: segmentin sisäisiä kehyksiä ei yleensä forwardoida muihin segmentteihin segmenteistä tulee erillisiä törmäysalueita Kytkin: dedikoidut liitynnät Kytkin, jossa useita liityntöjä Päätelaitteilla on suora yhteys kytkimeen Ei törmäyksiä; full duplex C switch switch collision domain Switching: -> ja -> samanaikaisesti, ei törmäyksiä C collision domain collision domain 69 70 Lisää kytkimistä Institutionaalinen verkko Voidaan käyttää: cut-through switching ei odoteta koko kehyksen vastaattamista vaan kehys forwardoidaan sisääntulosta ulostuloon heti kun tiedetään, mihin se on messa vähentää hieman viivettä Voidaan yhdistellä: jaetut/dedikoidut liitynnät 0/00/000 Mbps liitynnät to external network router mail server web server switch IP subnet 7 72 2
Kytkimet vs. reitittimet Molemmat tallenna-ja-jatkolähetä-laitteita Reititin: verkkokerroksen laite (tutkii verkkokerroksen otsikoita) ylläpitää reititystaulukkoa käyttää reititysalgoritmeja Kytkin: siirtoyhteyskerroksen laite (tutkii siirtoyhteyskerroksen otsikoita) ylläpitää kytkintaulukkoa käyttää suodatusta ja oppimisalgoritmeja Vertailua traffic isolation s switches routers plug & play (ridge ~ Switch) optimal routing cut through 73 74 Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: TM ja MPLS Langattomat verkot 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 75 byte stuffing: jos erotin-tavu esiintyy datassa, sen eteen lisätään escape-tavu 00 76 Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: TM ja MPLS Langattomat verkot 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: TM, MPLS Teklogia näkymätön IP-verkkokerrokselle näyttää siirtoyhteyskerroksen teklogialta IP:lle! 77 78 3
synchrous Transfer Mode (TM) TM: palvelumallit 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-TM IP network TM network Network rchitecture Internet TM TM TM TM Service Model best effort CR VR R UR ne constant rate guaranteed rate guaranteed minimum ne Guarantees? andwidth Loss Order Timing Congestion feedback (inferred via loss) congestion congestion 79 80 TM: arkkitehtuuri IP-over-TM Vain IP LN-segmenttejä (esim. Ethernet) MC- ja IP-osoitteet IP-over-TM LN-segmentti korvattu TM-verkolla TM- ja IP- osoitteet L-kerros (TM adaptation layer) vain TM-verkon reunalla (päätelaitteissa) suunnilleen analoginen Internetin kuljetuskerroksen kanssa TM-kerros solujen forwardointi, reititys analoginen Internetin verkkokerroksen kanssa Fyysinen kerros 8 Ethernet LNs Ethernet LNs TM network 82 IP-over-TM Multiprotocol Label Switching (MPLS) application transport IP Ethernet physical IP L Eth TM phy phy TM phy TM phy application transport IP L TM physical lkuperäinen 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 TM-ympäristöihin jatkaa vanhojen TM-verkkojen elinikää PPP or Ethernet header MPLS header IP header remainder of link-layer frame label Exp S TTL 83 20 3 8 84 4
MPLS: forwardointitaulukot R6 R5 in out out label label dest interface 0 0 2 D 0 8 R4 R2 in out out label label dest interface 0 8 6 0 R3 0 in out out label label dest interface 0 6 2 9 D 0 0 D in out R out label label dest interface 0 6-0 85 Siirtoyhteyskerroksen palvelut Virheiden havaitseminen ja korjaaminen Monipääsyprotokollat Siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Keskittimet ja kytkimet PPP Linkin virtualisointi: TM ja MPLS Langattomat verkot 86 Langattomien verkkojen elementit () network infrastructure langattomat päätelaitteet laptop, PD, IP-puhelin ajetaan sovelluksia voi olla paikallaan pysyvä tai liikkuva langattomuus ei aina tarkoita mobiliteettia Langattomien verkkojen elementit (2) network infrastructure tukiasema tyypillisesti yhdistetty langalliseen verkkoon lähettää paketit langallisen verkon ja alueellaan olevan langattoman päätelaitteen välillä esim. 802. access points 87 88 Langattomien verkkojen elementit (3) Langattomien verkkojen elementit (4) network infrastructure langaton linkki tyypillisesti yhdistää mobiilin tukiasemaan käytetään myös runkoverkon linkkinä monipääsyprotokollat koordiivat linkille pääsyä erilaisia kastanleveyksiä ja siirtoetäisyyksiä network infrastructure infrastruktuuri-moodi tukiasema yhdistää mobiilit langalliseen verkkoon handoff: mobiili vaihtaa yhteyden tarjoavaa tukiasemaa 89 90 5
Langattomien verkkojen elementit (5) ad hoc -moodi ei tukiasemia solmut voivat lähettää vain kantomatkan ulottuvilla oleville solmuille solmut organisoivat itsensä verkoksi: reitittävät keskenään 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 9 92 Langattomien verkkojen ominaisuuksia Useampi langaton lähettäjä ja vastaattaja aiheuttaa lisäongelmia (monipääsyn lisäksi): Piilotetun päätelaitteen (hidden terminal) ongelma: ja kuulevat toisiaan ja C kuulevat toisiaan ja C eivät voi kuulla toisiaan -> ja C eivät tiedä toistensa aiheuttamista häiriöistä :lle C C s signal strength space C s signal strength Signaalin vaimeneminen: ja kuulevat toisiaan ja C kuulevat toisiaan ja C eivät voi kuulla toisiaan, mutta häiritsevät :tä 93 802. Wireless LN (WLN) Useamman standardin perhe Kaikki käyttävät CSM/C:ta monipääsyyn Kaikista on sekä base-station- että ad-hoc-versiot 802.a 5.7 GHz < 54 Mbps 802.b 2.4 GHz < Mbps 802.g 2.4 GHz < 54 Mbps 94 802.: LN-arkkitehtuuri 802.: kanavat SS P Internet, switch or router P Langaton päätelaite kommunikoi tukiaseman kanssa base station = access point (P) asic Service Set (SS) infrastruktuurimoodissa: päätelaitteet ja tukiasema ad hoc -moodi: vain päätelaitteet 802.b: 2.4GHz-2.485GHz taajuusalue jaettu kanavaan eri taajuuksilla P:n ylläpitäjä valitsee taajuuden P:lle häiriöt mahdollisia: naapuri P:lla voi olla sama kanava! Päätelaitteen täytyy liittyä (associate) jonkin P:n aliverkkoon käy läpi kanavia, kuuntelee majakkakehyksiä (beacon frames), joissa P:n nimi ja MC-osoite valitsee P:n voidaan suorittaa todennus (autentikointi) käyttää tyypillisesti DHCP:tä saadakseen IP-osoitteen P:n aliverkossa SS 2 95 96 6
802.: monipääsy 802.: CSM/C 802.: CSM - kuunnellaan ennen lähetystä ei lähetetä, jos toinen solmu lähettää 802.: ei törmäyksen havaitsemista! vaikea vastaattaa (havaita törmäyksiä) kun lähetetään, koska signaalit voivat olla heikkoja (vaimeneminen) ei voida havaita kaikkia törmäyksiä: hidden terminal vältetään törmäyksiä: CSM/C(ollision)(voidance) C C s signal strength C s signal strength 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 CK receiver SIFS space 97 98 Törmäysten välttäminen: RTS-CTS 802.: CSM/C ja 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 CSM: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 DT () P reservation collision defer Vältetään törmäykset käyttäen pieniä varauspaketteja! time 99 00 802.: kehys 802.: osoitteistus mm. kehyksen tyyppi (RTS, CTS, CK, data) varatun lähetysajan kesto (RTS/CTS) H R router Internet 2 2 6 6 6 2 6 0-232 4 frame duration address address address seq address payload CRC control 2 3 control 4 ddress : vastaattajan MC-osoite (päätelaite tai tukiasema) ddress 2: lähettäjän MC-osoite (päätelaite tai tukiasema) ddress 4: käytetään vain ad hoc -moodissa ddress 3: tukiasemaan liitetyn reitittimen MC-osoite 0 P R MC addr P MC addr dest. address source address 802.3 frame P MC addr H MC addr R MC addr address address 2 address 3 802. frame 02 7
802.: liikkuvuus samassa aliverkossa : Yhteenveto H pysyy samassa IPaliverkossa: IP-osoite voi pysyä samana Mistä kytkin tietää, mihin P:hen H on liittynyt? itseoppiminen: kytkin näkee kehyksen H:ltä ja muistaa, minkä liitynnän kautta H voidaan saavuttaa router switch S P P 2 H S 2 Siirtoyhteyskerroksen palvelujen periaatteet: virheiden havaitseminen ja korjaaminen yleislähetyskanavan jakaminen: monipääsy siirtoyhteyskerroksen osoitteistus Siirtoyhteyskerroksen teklogioita kytketyt LNit virtualisoidut verkot linkkeinä WLN 03 04 8