T-110.250 Verkkomedian perusteet Lähiverkot Ursula Holmström
Tavoitteet Oppia lähiverkkoteknologiaan liittyviä käsitteitä kuten jaetun median käyttö median saanti (medium access control) topologiat Tutustua eri lähiverkkoesimerkkeihin lyhyesti 2
Luennon aiheet Aiheena teknologiat ja ratkaisut joihin lähiverkot perustuvat Eri tapoja jakaa yhteistä siirtomediaa: kilpavaraus, vuorottelu, kanavajako Lyhyesti esimerkkejä joistakin lähiverkkostandardeista Ethernet, token-ring, WLAN 3
Tämä luento ja kurssikirja Kannattaa lukea eri menetelmät jakaa yhteistä siirtotietä ethernet ja token ring periaatteet Matematiikan voi ohittaa tehokkuuslaskut eivät kuulu kurssin alueeseen delay-bandwidth käsite lyhyesti 4
Mikä on lähiverkko? Yksityinen oma, ei ulkopuolista sääntelyä Lyhyt etäisyys (~1km) koneiden välillä edullinen nopeaa, melko virheetöntä tiedonsiirtoa ei tarvita monipuolista virheenkorjausta Koneita siirretään paikasta toiseen Koneiden sijainnin hallinta työlästä Annetaan joka koneelle oma osoite Viestit lähetetään yleislähetyksenä kaikille lähiverkossa Tarvitaan menetelmä jakaa siirtomedia: medium access control protocol 5
A bit of history 1970 ALOHAnet radio network deployed in Hawaiian islands 1973 Metcalf and Boggs invent Ethernet, random access in wired net 1979 DIX Ethernet II Standard 1985 IEEE 802.3 LAN Standard (10 Mbps) 1995 Fast Ethernet (100 Mbps) 1998 Gigabit Ethernet 2002 10 Gigabit Ethernet Ethernet is the dominant LAN standard Metcalf s Sketch 6
Tyypillinen lähiverkko Siirtotie Verkkokortti (NIC) Uniikki MAC fyysinen osoite RAM Ethernet Processor RAM ROM 7
Viestintä jaetulla siirtotiellä Kaikki asemat ovat saman johdon ääressä Siirtotiellä käytetään yleislähetystä (broadcast) kaikki asemat kuulevat yhteiselle medialle lähetetyn viestin Jos kaksi asemaa lähettää yhtä aikaa tapahtuu törmäys signaalit sekoittuvat ja lähetys menee sekaisin 8
Eri tapoja jakaa yhteinen siirtotie Kanavajako (channelization) jokainen asema saa oman osansa jaetusta siirtotiestä sopii jatkuvaan lähetykseen Dynaaminen varaus (MAC schemes) asemat lähettävät tarpeen mukaan, törmäykset havaitaan tai niitä vältetään sovitulla tavalla purskeinen lähetys 9
Jaettu siirtotie -esimerkkejä Satelliitti (figure 6.3) Jaettu terminaaliyhteys (figure 6.4) Toimistoverkko (figure 6.5) Langaton verkko (figure 6.6) 10
Kanavajako: Satelliitti Satellite Channel uplink f in downlink f out 11
Vuorottelu: Kysely Data from 1 Data from 2 Inbound line Data to M Host computer Poll 1 Poll 2 1 2 3 Outbound line M Stations 12
Vuorottelu: Valtuuden välitys Rengasverkko token Data to M token Asema jolla on valtuus lähettää renkaaseen 13
Kilpavaraus Väylä Crash!! Lähetys tarvittaessa Törmäykset mahdollisia; strategia uudelleenlähetyksille 14
Wireless LAN AdHoc: asemalta asemalle Infrastructure: asemalta tukiasemalle Kilpavaraus & kysely 15
Verkkotopologiat Väylä Rengas Tähti Verkko Puu Mikä on langattoman verkon topologia? 16
MAC protokollat Hyvän MAC protokollan ominaisuuksia siirtoviive oikeudenmukaisuus luotettavuus liikenteen tyyppi palvelunlaatu (Quality of service, QoS) skaalatutuvuus hinta 17
Kilpavaraus (random access) Ei sovittuja lähetysvuoroja lähetys satunnaisesti silloin kun on lähetettävää Törmäysten havaitseminen Tapa välttää uudet törmäykset uudelleenlähetyksessä 18
ALOHA Hawain yliopistolta Viestit (paketit, kehykset) lähetetään heti kun on tarve Törmäyksiin suhtaudutaan kun mihin tahansa siirtovirheeseen uudelleenlähetys 19
ALOHA Törmäykset aiheuttavat uudelleenlähetyksiä jotka aiheuttavat lisää liikennettä ja lisää törmäyksiä satunnainen odotusaika ennen uudelleenlähetystä Toimii käytännössä kahdessa tilassa joko kaikki toimii tai kaikki törmää 20
Slotted ALOHA Pienennetään törmäystodennäköisyyttä sopimalla lähetyksille aikaikkunat diskreetit aloitushetket ja määrämittaiset lähetykset vältetään osittain päällekkäin menevät paketit 21
CSMA Carrier Sense Multiple Access Vältetään selvät törmäykset kuuntelemalla siirtotietä Törmäyksiä tapahtuu ainoastaan lähetyksen alussa kun lähetys ei vielä ole levinnyt koko mediaan haavoittuvuusaika on t prop eli siirtoviive päästä päähän 22
CSMA Miten vältetään useampi samanaikainen lähetys kun siirtotie vapautuu? lähetetään heti jos varattu, uudelleenlähetys ajan t kuluttua jos vapaa, lähetä (todennäköisyydellä p) tai odota (1-p) Valittu tapa vaikuttaa keskimääräiseen viiveeseen ja tehokkuus riippuu liikenteen luonteesta 23
CSMA-CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection havaitaan törmäykset säästetään kaistaa lopettamalla törmännyt lähetys heti Kauanko kestää ennen kun kaikki ovat havainneet törmäyksen? 24
CSMA-CD törmäys A B A B A B 25
Vuorottelu (Scheduling) Kilpavaraus on tehoton suurilla liikennemäärillä Vuorottelu (scheduling) on organisoidumpi tapa jakaa vuoroja varaus (reservation) kysely (polling) valtuuden välitys (token passing) 26
Varaus Viestit kulkevat kehyksessä jossa on varausjakso ja datajaksossa Varausjaksossa asema ilmoittaa että on lähetettävää Datajaksossa kunkin lähettävän aseman paketit Tehostettu TDM aikaikkunoita ei hukata hiljaisille asemille 27
Kysely (Polling) Asemat vuorottelevat siirtotien käytössä oikeus lähettää luovutetaan asemalta toiselle Joko keskitetyllä hallinnalla tai hajautetusti Kyselyihin kuluu aikaa - walktime 28
Valtuuden välitys (Token passing) Rengas muodostuu ketjusta kahden aseman välisiä yhteyksiä jokainen verkkokortti kuuntelee liikennettä, poimii omat paketit talteen ja välittää muut eteenpäin Valtuuden välitys ja renkaan viive multitoken, single token and single packet operation Hajautettu kysely renkaassa 29
Valtuuden kierrätys Multitoken Single token Single packet Busy token Free token 30
Kilpavaraus ja vuorottelu Toimii kun liikennettä on kohtuullisesti liikenne on purskeista Jatkuva lähetys vaatii eri menetelmät 31
Kanavajako Jatkuvalle lähetykselle tarvitaan kanava Kanavajako (channelization) ja kanavointi (multiplexing) sama idea siirtotien jaossa kanavajako yleislähetysverkossa jaetulla kanavointi point-to-point yhteydellä FDMA, TDMA, CDMA 32
FDMA Frequency Division Multiple Access Jaetaan taajuuskaista M osaan kukin M asemasta saa oman osan kokonaan käyttöönsä asema voi lähettää jatkuvasti nopeudella ~ R/M jossa R on koko kanavan siirtonopeus 33
Kanavajako: FDMA Frequency W 1 2 M 1 M Guard bands Time 34
TDMA Time Division Multiple Access Jaetaan lähetysaika aikajaksoihin kukin asema saa vuorollaan koko kaistan käyttöönsä nopeus samoin R/M 35
Kanavajako: TDMA Frequency Guard time W 1... 2 3 M 1 One cycle Time 36
CDMA Code Division Multiple Access Asemat lähettävät samalla taajuuskaistalla samanaikaisesti Kunkin aseman lähetys koodataan niin että vastaanottaja voi tunnistaa sen mutta muille lähetys on kohinaa UWB, matkapuhelinverkot 37
Kanavajako: CDMA Kanavat määräytyvät moduloinnissa ja demoduloinnissa käytettävien koodien mukaan Jokainen asema käyttää koko taajuusaluetta koko ajan! Frequency 1 2 W 3 Time 38
GSM Käyttää TDMA/FDMA yhdistelmää Taajuuskaista jaettu kantoaaltoihin (FDMA) tukiasemalla on yksi tai useampi kantoaalto käytössään Kantoaalto on digitaalisesti moduloitu ja sillä siirretään TDMA kehysrakennetta signalointikehyksiä ja datakehyksiä 39
GPRS Käyttää slotted ALOHAa kanavavarauksen tekemiseen 40
LAN standardeja Ethernet, Token ring, FDDI, WLAN MAC käytäntö kehysrakenne fyysinen siirtotie 41
IEEE 802.3 - Ethernet Väylä, CSMA-CD minislot time > 2t prop aika joka vaaditaan väylän valtaamiseen 10 Mbps ja 2500 m matka kehyksen minimikoko 512 bittiä tai 64 byteä exponential backoff uusien törmäysten välttämiseksi 42
IEEE 802.3 - Kehysrakenne 7 1 2 or 6 2 or 6 2 4 Preamble SD Destination Address Source Address Length Information Pad FCS Total 64 to 1518 Bytes 0 Single address 1 Group address 0 Local address 0 Global address 43
IEEE 802.3 - Osoitteet Unicast pysyvä verkkokortin osoite (NIC) Multicast, monilähetys ryhmä vastaanottajia Broadcast, yleislähetys pelkkiä ykkösiä, kaikki vastaanottaa 44
IEEE 802.3 - Fyysinen kerros 10base5 thick coax, 500 m, bus 10base2 thin coax, 200 m, bus 10baseT twisted pair, 100 m, star 10baseF Optical fibre, 2 km, point-to-point link 45
IEEE 802.3 - Fyysinen kerros Keskitin (hub) kaikki asemat saman siirtotien ääressä rajallinen määrä asemia Ethernet kytkin (switch) erilliset törmäysalueet verkon kokoa voidaan kasvattaa 46
Ethernet Hubs & Switches Single collision domain (a) (b) High-Speed backplane or interconnection fabric Twisted Pair Cheap Easy to work with Reliable Star-topology CSMA-CD Twisted Pair Cheap Bridging increases scalability Separate collision domains Full duplex operation 47
IEEE 802.5 - Token ring Point-to-point siirtotiet renkaana rengas toteutettu tähtenä Valtuuden välitys 4Mbps tai 16 Mbps kierretty parikaapeli max 250 asemaa renkaassa 48
Tähtimuotoinen rengasverkko Asemat kytketty tähtimäisesti kytkentäkaappiin Hyödyntää olemassa olevaa puhelinkaapelointia Rengas toteutettu laitteiston sisällä Kytkimillä voidaan ohittaa vialliset asemat tai johdot B A Kytkentäkeskus E C D 49
FDDI Fibre Distributed Data Interface Rengastopologia, jopa 500 asemaa Ajastettu valtuutus (timed token) Optinen kuitu, 100 Mbps jopa 200 km etäisyyksillä Esim kampusverkon runkoverkkona kytkemässä yhteen eri Ethernet lähiverkkoja 50
Langaton viestintä Langaton viestintä (wireless communication) Helppo, edullinen asennus Liikkuvuus: Pääsy verkkoon missä vaan Tuki henkilökohtaisille laitteille PDA, kannettava, puhelin Muu laiteviestintä Kamerat, paikannus, langaton tunnistus Signaalin voimakkuus vaihtelee ajan ja paikan mukaan Signaali kenen tahansa kuunneltavissa, salakuuntelu Taajuuskaistan rajallisuus ja viranomaisrajoitukset 51
Hidden Terminal Problem (a) A Data Frame C A transmits data frame B C senses medium, station A is hidden from C (b) Data Frame B Data Frame C A C transmits data frame & collides with A at B New MAC: CSMA with Collision Avoidance 52
Ad Hoc Viestintä A C B D Tilapäinen asemien ryhmäytyminen Toistensa kuuluvuusalueella Tarve viestiä keskenään Esim. Esitys kokouksessa, hajautettu tietokonepeli 53