Linkkikerros: Ethernet ja WLAN Matti Siekkinen T-110.2100 Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2013
Viime luennolla Verkkokerros on Internetissä käytännössä IP Tällä hetkellä v4 vielä dominoi, v6 käyttöönotto kiihtynyt 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 Wi-Fi:n (802.11) perustoiminnan erot Ethernetiin Tiedostatte: Muut monipääsymenetelmät (kanavanjako ja vuorottelu) (802.11 virransäästömekanismin) 5
Linkkikerros: terminologiaa Päätelaitteet ja reitittimet ovat solmuja Viereisiä solmuja yhdistävät tietoliikennekanavat linkkejä langallisia tai langattomia Linkkikerroksen paketti on kehys linkkikerroksen vastuulla on siirtää datagrammi yhdestä solmusta viereiseen solmuun linkin yli Kuvissa = Linkki 6
Linkkikerroksen palvelut Kehystys, siirtotielle pääsy: Kapseloi IP-paketin kehykseen ja lisää kehyksen otsakkeen ja loppuosan Siirtokanavalle pääsyn kontrolli jos jaettu media Käytetään MAC-osoitteita (ei IP-osoitteita!) Luotettava tiedonsiirto vierekkäisten solmujen välillä Virheiden havaitseminen Virheenkorjaus joidenkin linkkien välillä Vuonhallinta 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 7
Missä linkkikerros on toteutettu? Jokaisessa päätelaitteessa ja verkkolaitteessa Verkkokortti (Network Interface Card, NIC) Ethernet tai 802.11 kortti/adapteri Toteuttaa linkki- ja fyysisen kerroksen Asennetaan tietokoneen väylään Esim. PCIe Usein sulautettuna, ei erillinen kortti laptop, kännykkä Osa linkkikerroksesta softaa joka ajetaan CPU:ssa Esim. paketin välitys IP-kerrokselle Yhdistelmä rautaa, softaa, ja sulautettua ohjelmistoa Software meets hardware sovellus kuljetus verkko linkki linkki fyysinen cpu memory controller fyysinen transmissio väylä (esim., PCIe) Verkkokortti 8
Viestintä linkin yli datagram datagram controller controller lähettäjä kehys datagram vastaanottaja Lähettävä puoli: Kapseloi datagrammin kehykseen Lisää virheenkorjausbitit, vuon ohjaus, jne. Vastaanottava puoli Tutkii mahdolliset siirtovirheet, vuon ohjauksen, jne. Kaivaa datagrammin, ja antaa sen ylemmälle kerrokselle (IP) vastaanottopäässä 9
Mikä on lähiverkko? Lähiverkko (Local Area Network, LAN) voi olla langallinen tai langaton (WLAN) Esim. Ethernet- tai Wi-Fi-verkko Maantieteellisesti rajatulla alueella toimiva verkko Esim. koti, toimisto, yliopistokampus Yleensä layer-2 (linkkikerros) verkko Verkkolaitteet eivät toteuta IP-protokollaa Ei IP-reitittimiä, pelkästään linkkikerroksen kytkimiä, hubeja, toistimia 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 TCP hoitaa Vältetään TCP ruuhkanhallinnan reagointi Nopeampi reagointi virheisiin (kuljetuskerros on end2end!) Vähemmän turhaa liikennettä Joskus vain virheen havainnointi, ei korjausta Esim. Ethernet Erityisesti langattomilla linkeillä siirtovirheitä voi tulla paljon Signaalin vaimennus, kohina, interferenssi Pyritään myös korjaamaan virheet Virheen havaitseminen ei ole 100% luotettavaa Enemmän virheenkorjausbittejä -> suurempi hav. todennäköisyys Error Detection ja Correction bitit 12
Pariteettitarkistus Yhden bitin pariteetti: Havaitsee parittoman määrän bittivirheitä Kaksiulotteinen pariteetti: Havaitsee ja korjaa yhden bitin virheet Havaitsee useamman bitin virheet (muttei korjaa) ykkösten määrä parillinen vai ei 0 0 13
Cyclic Redundancy Check (CRC) Tarkastellaan databittejä, D, binäärinumerona Valitaan r+1 bittijono (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 R D = jakojäännös [. 2 r ] G modulo 2 operaatiot -> ei lainata Lähetettäessä jakojäännös lisätään 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 Monipääsyprotokolla koordinoi kuka saa käyttää milloinkin jaettua kanavaa Ideaali monipääsyprotokolla: Yksi lähettäjä à saa koko kaistan M samanaikaista lähettäjää à jokainen saa R/M kaistan R on kanavan koko kapasiteetti Ei kellojen synkronointia, aikavälejä Täysin hajautettu Ei koordinaattorisolmua (single point of failure) Yksinkertainen ja halpa 18
Monipääsyprotokollat Kanavan osittaminen Jaetaan kanava pienempiin osiin (aikavälejä, taajuuksia, CDMA-koodeja) 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 koordinointia solmujen välillä Yksi tai enemmän lähettäviä solmuja à törmäys lähetetty data korruptoituu Protokolla määrittelee: Kuinka törmäyksiä vältetään Kuinka törmäykset tunnistetaan Kuinka törmäyksistä toivutaan Esimerkkiprotokollia: (slotted) ALOHA CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA, CSMA = Carrier Sense Multiple Access, CD= Collision Detection, CA = Collision Avoidance 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 solmu ei tiedä, että toinen on jo aloittanut lähetyksen Samaan aikaan aloittavat törmäys: Koko kehys tuhoutuu CSMA törmäykset Huom.: Etäisyys ja etenemisviive vaikuttavat törmäystodennäköisyyteen Kaapelin maksimipituus ja paketin minimikoko määritelty 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 linkki: mitataan signaalin voimakkuutta ja verrataan lähetettyyn vaikeampaa langattomissa linkeissä (WLAN): vastaanotetun signaalin taso voi vaihdella melkoisesti 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 Verkkotason osoite Käytetään paketin ohjaamisessa 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 26
MAC osoite Jokaisella (MAC osoitteita käyttävällä) 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 Jokaisella (MAC osoitteita käyttävällä) verkkoadapterilla on uniikki MAC osoite Valmistajat ostavat osan osoiteavaruudesta Varmistetaan yksikäsitteisyys Analogia: MAC-osoite ß à sotu IP-osoite ß à postiosoite MAC-osoite ei vaihdu siirryttäessä verkosta toiseen IP-osoite vaihtuu kun vaihdetaan verkkoa Osoite riippuu IP-aliverkosta, mihin laite on kytketty Osoitehierarkia mahdollistaa tehokkaan reitityksen 28
ARP: Address Resolution Protocol Kysymys: Kuinka selvitetään B:n MAC osoite kun tiedetään B:n IPosoite? 137.196.7.23 71-65-F7-2B-08-53 LAN 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 lähettää IP-paketin B:lle A ei tiedä B:n MAC-osoitetta Ei ole (vielä) ARP-taulussa 1. A lähettää ARP kyselypaketin, jossa B:n IP osoite kohde MAC osoite = FF-FF-FF-FF-FF-FF (broadcast) LAN:in kaikki koneet vastaanottavat ARP kyselyn 2. B vastaa A:lle B:n oma MAC-osoite vastauksessa kohdeosoite on A:n MAC osoite (unicast) 3. A tallentaa osoiteparin ARP-tauluunsa Pitää säännöllisesti virkistää 30
ARP: toiseen lähiverkkoon Lähetetään paketti A:sta B:hen R:n kautta A tietää B:n IP-osoitteen (DNS kysely) A 74-29-9C-E8-FF-55 111.111.111.111 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D E6-E9-00-17-BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B R 222.222.222.220 111.111.111.110 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
ARP: toiseen lähiverkkoon 1. A luo IP paketin: lähdeosoite A, kohdeosoite B 2. A:n reititystaulu kertoo, että oman verkon ulkopuolinen liikenne R:n kautta A tietää R:n IP osoitteen: manuaalisesti konffattu tai reititysprotokollan avulla 3. A käyttää ARP:aa saadakseen selville R:n MAC osoitteen 111.111.111.110 vastaava MAC osoite 4. A luo linkkikerroksen kehyksen ja lähettää sen kohdeosoite: R:n MAC osoite sisältö: lähetettävä IP-paketti 5. R dekapseloi IP-paketin kehyksestä -> näkee, että kohdeosoite on B 6. R käyttää ARP:aa saadakseen B:n MAC osoitteen 7. R luo linkkikerroksen kehyksen ja lähettää sen Sisältö: A-B IP-paketti Kohdeosoite: B:n MAC osoite 74-29-9C-E8-FF-55 A 111.111.111.111 111.111.111.112 E6-E9-00-17-BB-4B 111.111.111.110 1A-23-F9-CD-06-9B R 222.222.222.220 88-B2-2F-54-1A-0F 222.222.222.221 222.222.222.222 B 49-BD-D2-C7-56-2A CC-49-DE-D0-AB-7D 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
Ethernetin historiaa Nykyään dominoiva langallinen LAN teknologia Kehitys: 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 2010 100/40 Gigabit Ethernet 1 GbE peruskauraa tänä päivänä päätelaitteille 10 GbE nyt käytössä high end verkoissa (esim. datakeskuksissa) 100 GbE tuotteita on jo esim. runkoverkon reitittimille muttei vielä pitkään aikaan päätelaitteisiin Extreme Networksin 100G kytkinmoduulin hinta $35,000 per portti Metcalfin piirros 34
Ethernet-kehyksen rakenne IP-paketti otsakkeineen 7 1 6 6 2 4 Preamble SD Kohde osoite Lähde Osoite Pituus DATA (muuttuva pituus) Pad CRC tavua Yhteensä 64-1518 tavua Preamble (Alkutahdistus) toistaa 10101010-kuviota Käytetään vastaanottimen synkronointiin lähettäjän kellon nopeuteen SD aloittaa itse kehyksen tavulla 10101011 Osoitteet ovat 48-bittisiä MAC-osoitteita Pituus: informaatio-kenttä tavuissa Padding (täytebitit) varmistaa, että kehys on vähintään 64 tavua CRC kattaa osoitteet, pituuden, informaation ja täytebitit 35
Ethernetin osoitteet Voidaan lähettää täsmälähetyksiä (unicast), ryhmälähetyksiä (multicast) tai yleislähetyksiä (broadcast) Ekan tavun 1. (vähiten merkitsevä) bitti kertoo onko kyseessä täsmälähetys (0) vai ryhmälähetys (1) Yleislähetys on osoitteelle ff:ff:ff:ff:ff:ff (kaikki bitit 1) Erityisesti ARP ja DHCP käyttää yleislähetystä Ekan tavun 2. bitti kertoo onko kyseessä paikallinen (vaihdettava) vai globaali (kiinteä) osoite Ylläpitäjät voi määritellä locally administered osoitteet 3 ensimmäistä tavua (miinus kaksi ensimmäistä bittiä) on Organizationally Unique Identifier (OUI) 3 viimeistä tavua on valmistajan valittavissa 36
Yhteydetön Ethernet-palvelu Ei kättelyä (handshaking) lähettävän ja vastaanottavan NIC:in välillä Ei pidetä tilaa Epäluotettava Vastaanottava NIC ei lähetä kuittauksia lähettäjälle Vialliset paketit hylätään TCP lähettää lopulta uudelleen Ethernetin MAC protokolla on CSMA/CD 37
Ethernetin tähti(star)-topologia Väylätopologia (yhteinen jaettu kaapeli) suosittu 90- luvun puoliväliin asti Kaikki solmut samassa mediassa ja törmäyksiä sattuu Tänään: Käytännössä tähtitopologia (star) Aktiivinen kytkin (switch) keskellä Ns. kytketty Ethernet (switched Ethernet) Jokainen osallistuja ( haara ) käyttää omaa Ethernet protokollaa (solmut eivät törmää keskenään) kytkin bussi: koaksiaalikaapeli Tähti (star) 38
Ethernetin CSMA/CD 1. Vastaanota IP-paketti ja luo kehys 2. Carrier Sense (CS) Kanava on vapaa à lähetä kehys Kanava varattu à odota kunnes vapaa ja sitten lähetä 3. Collision Detection (CD) Havaitaan toinen lähetys à keskeytä lähetys ja lähetä ruuhkasignaali (jam signal) Varmistetaan, että kaikki muut lähettäjät ovat selvillä törmäyksestä 4. Jos törmäys à exponentiaalinen peruutus (exponential backoff) Adaptoidaan uudelleenlähetysyritykset arvioituun silloiseen kuormaan Paljon lähetyksiä à pidempi odotus m:nnen törmäyksen jälkeen valitse K:n satunnaisesti väliltä {0,1,2,,2m-1} Satunnainen viive jottei yhtäaikaiset lähettäjät ole synkassa Odota K*512 bitin aikaa, ja palaa sitten vaiheeseen 2 39
Ethernetin linkki & fyysinen kerros 802.3 on Ethernetin standardi Määrittelee fyysisen kerroksen ja linkkikerroksen MAC-osan Monia eri lisäyksiä (amendments) jotka tuotu säännöllisesti standardiin Yhteinen MAC-protokolla ja kehysformaatti Erilaisia nopeuksia: 2 Mbps 100Gbps Erilaisia siirtoteitä (media): kuitu, kaapeli Esim. 802.3ab: 1000BASE-T Gbit/s Ethernet over twisted pair at 1 Gbit/s BASE = baseband signalointi sovellutus transport verkko Linkki fyysinen Logical Link Control (LLC) 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 40
Keskitin (Hub) fyysisen-kerroksen ( tyhmä ) toistin bitit sisään yhdestä linkistä à ulos kaikkiin muihin linkkeihin samalla nopeudella Paketit kaikista linkeistä, jotka kytketyt hub:iin voivat törmätä keskenään Ei kehysten puskurointia Ei CSMA/CD hubissa à tietokoneiden NIC:it havaitsevat törmäykset kierretty pari hub 41
Kytkin (Switch) Kytkin on fiksumpi kuin hub Varastoi ja välittää Ethernet kehyksiä Välittää kehyksen eteenpäin yhteen tai useampaan linkkiin MAC osoitteen perusteella Läpinäkyvä Päätelaitteet eivät tiedä kytkinten olemassaoloa Plug-and-play, itseoppiva Kytkimen välitystaulua ei tarvitse manuaalisesti konfiguroida 42
Kytkin: useita samanaikaisia lähetyksiä A Tietokoneilla on omat suorat liitäntänsä kytkimeen Kytkimet puskuroivat paketteja Entä törmäykset ja CSMA/CD? Vast: Jokainen linkki on oma törmäys-alueensa Full duplex linkit -> ei törmäyksiä -> ei tarvita CSMA/CD Myös voi olla pidempi kaapeli half duplex -> tarvitaan CSMA/CD Max kaapelin pituus lyhyempi Kytkeminen: A-A ja B-B yhtä aikaa, ilman törmäyksiä ei mahdollista hubilla C B 6 5 1 2 3 4 A B kytkin jossa kuusi liitäntää (1,2,3,4,5,6) C 43
Kytkintaulu 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? C B 6 5 A 1 2 3 4 A Kytkin, jossa kuusi liitäntää (1,2,3,4,5,6) B C 44
Kytkin on itse-oppiva Lähde: A Kohde: A A A A Kytkin oppii Kun kehys vastaanotetaan, opitaan lähettäjän sijainti Kytkin lisää lähettäjä/sijainti parin kytkintauluun MAC osoite liitäntä TTL A 1 60 C 1 2 A 6 A 3 5 4 B C B A kytkintaulu (Switch Table) Mihin kytkin lähettää kehyksen? 45
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 verkon topologiaa ja kokoa Spanning Tree protokolla Pyritään estämään looppeja -> L2 protokollissa ei ole TTL-kenttiä! päätelaite kytkin reititin päätelaite 46
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 47
Langaton lähiverkko (WLAN) Keskitytään vain IEEE:n standardoimaan 802.11 WLAN:iin (eli Wi-Fi) Päätelaitteita, joissa WLAN adapteri Infrastruktuuritila: kaikki liikenne aina tukiaseman kautta ad-hoc-tila: päätelaitteet viestivät suoraan keskenään Internet hub, kytkin tai reititin WLAN tukiasema (Access Point) Tukiasema välittää paketteja langallisen verkon ja langattomien tietokoneiden välillä toimialueellaan Handoff Terminaali vaihtaa tukiasemaa 48
802.11: kanavat Kaksi taajuusaluetta: 2.4GHz ja 5GHz Perus Wi-Fi (802.11g) käyttää 2.4GHz Uudempi 802.11n voi myös käyttää 5GHz 2.4GHz: 14 kanavaa käytössä Taajuusalueet menevät päällekkäin Vain muutamaa kanavaa voi käyttää yhtäaikaisesti häiritsemättä toisiaan 1, 6, 11 tai 1, 5, 9, 13 jos kanava 13 käytössä (esim. Eurooppa) 5GHz: enemmän kanavia käytössä 49
802.11: liittyminen Mainostus ja skannaus Tukiasemat (AP) lähettää beacon-kehyksiä Sisältää AP:n SSIDn ja MAC-osoitteen Päätelaite kuuntelee (scan) kaikki kanavat läpi yksi kerrallaan Kun löytyy AP à päätelaite liittyy siihen Käyttäjä voi valita tai sitten valitaan automaattisesti Association Request: pl à AP Association Response: AP à pl Päätelaite voi myös aktiivisesti etsiä tukiasemia Lähettää kyselyjä kanaville eikä pelkästään kuuntele Lisäksi voidaan tarvita autentikointi 50
802.11: Monipääsy 802.11 käyttää CSMA/CA monipääsyprotokollaa CSMA: kuunnellaan kanavaa ennen lähetystä Ei lähetetä jos joku toinen lähettää Samoin kuin Ethernet 802.11: ei törmäysten havaitsemista! vastaanottajan on vaikea havaita törmäyksiä kun vastaanotettu signaali heikko (fading = häipymä) Myös vaihtelee Tavoite on välttää törmäyksiä: CSMA/C(ollision)A(voidance) 51
CSMA/CA 802.11 lähettäjä 1. CS: kanava vapaa DIFS:n ajan lähetä koko kehys (ei CD) 2. CS: kanava varattu Aseta satunnainen odotusaika (backoff) Laskuri nollassa ja kanava vapaa à lähetä Laskuri pienenee vain kanavan ollessa vapaa Ei kuittausta à lisää satunnainen backoff väliaika, toista 2 802.11 vastaanottaja jos kehys vastaanotettu OK - lähetä ACK SIFS odotusajan jälkeen DIFS = DCF Interframe Spacing SIFS = Short Interfarme Spacing SIFS lyhyempi kuin DIFS DIFS lähettäjä data ACK vastaanottaja SIFS 52
CSMA/CA Miksi DIFS ja SIFS? Voidaan priorisoida eri kehyksiä SIFS < DIFS à kuittauksilla korkeampi prioriteetti Miksi odotetaan satunnainen aika? 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 53
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: Vastaanottajan MACosoite (pl tai AP) Osoite 3: MAC osoite reitittimelle, johon AP liitetty Osoite 4: käytetään vain ad-hoc tilassa Osoite 2: Lähettäjän MAC-osoite (pl tai AP) 54
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 55
802.11: Kehys ja osoitteistus Q: Miksi tarvitaan kolme osoitekenttää? Eikö riitä että määritetään reitittimen MACosoite vastaanottajaksi? A: Jos AP:n osoite ei vastaanottaja à AP ei prosessoi kehystä ollenkaan AP tulkitsee vain sille osoitettuja kehyksiä AP ei ole kytkin AP ei myöskään ymmärrä IP osoitteita 56
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 Virheiden havaitseminen ja korjaaminen tärkeää verkon liian kuormittumisen välttämiseksi langattomissa verkoissa erityisen tärkeää koska bittivirheet yleisiä 57
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 jne. 58
Jatkokursseilla Wi-Fin edistyneet ominaisuudet Power saving, RTS/CTS, rate adaptation WPAN Bluetooth, ZigBee/802.15.4 Data centerit ja L2/L3 Optimoidut verkkoarkkitehtuurit ja protokollat Energiankulutuksesta Mittaaminen, mallintaminen ja optimointi Green ICT 59
Kysymyksiä Miten linkkikerroksella havaitaan ja korjataan virheitä? CRC pääasiassa Miksi linkkikerroksen protokollissa on alkumerkkejä? Synkronointi lähettäjän kelloon Miksi tarvitaan monipääsyprotokollia? Useita päätelaitteita samassa linkissä (broadcast domain) Vältetään törmäyksiä (pakettien signaalit sekoittuvat) Miksi Ethernet-kaapelilla on maksimipituus? Signaali vaimenee CSMA/CD ei toimi jos liian pitkä Miksi Ethernetin ja WLANin törmäystenhallinta on erilaista? Langattomissa verkoissa CD on vaikeaa/mahdotonta Mitä eroa on kytkimellä ja reitittimellä? Kytkin on L2, reititin on L3 (IP) 60