Linkkikerros: Ethernet ja WLAN

T-110.2100 Johdatus tietoliikenteeseen kevät 2012

Matti Siekkinen

Linkkikerros:

Ethernet ja WLAN

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)

TCP/IP-protokollapino

Sovelluskerros

Middleware: HTTP, SSL, XML...

Siirtokerros: TCP, UDP, ...

Verkkokerros: IPv4, IPv6 Linkkikerros: Ethernet, MPLS,

WLAN, GPRS ...

Tiedonsiirto yhden linkin yli Tiedonsiirto päästä päähän, Internetin yli (end to end)

Asiakas/palvelin- sovellukset ja monenväliset

palveluarkkitehtuurit

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

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-Fin (802.11) perustoiminnan

–  erot Ethernetiin

Tiedostatte:

§  Muut monipääsymenetelmät (kanavanjako ja vuorottelu)

§  (802.11 virransäästömekanismin)

Linkkikerros: Johdanto

Terminologiaa:

§  Päätelaitteet ja reitittimet ovat solmuja

§  Viereisiä solmuja yhdistävät tietoliikennekanavat linkkejä

Ø  langalliset yhteydet Ø  langattomat yhteydet

Ø  Lähiverkot (Local Area Network, LAN)

•  Linkkikerroksen ”paketti” on kehys

•  Lähettävän päätelaitteen verkkokortti (tms.) kapseloi IP paketin

linkkikerroksen (esim. Ethernet) kehykseen

linkkikerroksen vastuulla on

Linkkikerros: Mistä on kyse ?

§  Datagrammi siirretään eri linkkiprotokollia käyttäen eri linkkien kautta:

–  Esim., Ethernet

ensimmäisellä linkillä, Point- to-Point Protocol (PPP)

sitten, 802.11 WLAN viimeisellä linkillä

§  Jokainen linkkiprotokolla tarjoaa erilaisia palveluita, esim., voi tarjota tai olla tarjoamatta luotettavan tiedonsiirron

Matkustusanalogia:

Matka Helsingistä Sophia- Antipolisiin

–  taksi: Helsinki-Vantaan lentokentälle

–  Lento: H-V -> Nizza –  Vuokra-auto: Nizza ->

Sophia-Antipolis

§  Turisti = datagrammi

§  Matkan osa = linkki

§  Matkustustapa =

linkkikerroksen protokolla

§  Matkatoimisto =

reititysalgoritmi

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 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

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

–  Nykyään usein sulautettuna, ei erillinen kortti

•  läppäri, kännykkä

§  Osa linkkikerroksesta softaa joka ajetaan CPU:ssa

–  Esim. paketin välitys IP-kerrokselle

§  Linkkikerroksen toteutus on siis yhdistelmä rautaa, softaa, ja sulautettua ohjelmistoa

–  ”Software meets hardware”

cpu memory

väylä (esim., PCIe)

Verkkokortti

linkki fyysinen sovellus kuljetus verkko

linkki

fyysinen transmissio

controller

Adapterit (verkkokortit) kommunikoivat

§  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)

controller controller

lähettäjä vastaanottaja

datagram datagram

datagram kehys

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 11

Virheenkorjaus

§  Linkkikerroksella usein toteutetaan vaikka kuljetuskerros jo toteuttaa

–  Vältetään TCP ruuhkanhallinnan reagointi

–  Nopeampi reagointi virheisiin (kuljetuskerros on end2end!) –  Vähemmän turhaa liikennettä

§  Joskus vain virheen havainnointi, ei korjausta

–  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

Pariteettitarkistus

Yhden bitin pariteetti:

Huomaa yhden bitin virheet

Kaksidimensionaalinen bittipariteetti:

Huomaa ja korjaa yhden bitin virheet

Huomaa useamman bitin virheet (muttei korjaa)

0 0

ykkösten määrä parillinen vai ei

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

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

Lähetettäessä jakojäännös pistetään datan perään

Vastaanottaja jakaa koko datan samalla G:llä, ja jos

jakojäännös nolla, ei havaittuja virheitä

R = jakojäännös [ ]

D

2

G

modulo 2 operaatiot -> ei “lainata”

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

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)

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

MAC kanavanvarausprotokollat

Kolme isompaa luokkaa:

§  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

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 => “törmäys”

–  lähetetty data korruptoituu

§  Satunnaispääsy MAC yhteyskäytäntö määrittelee:

–  Kuinka törmäykset tunnistetaan

–  Kuinka törmäyksistä toivutaan (esim. viivästettyjen uudelleenlähetysten avulla)

§  Esimerkkiprotokollia:

–  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

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!

CSMA törmäykset

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 paketti tuhoutuu

Huom.:

•  Etäisyys ja etenemisviive vaikuttavat

törmäystodennäköisyyteen

•  Kaapelin maksimipituus ja

CSMA/CD törmäysten havaitseminen

D:n kannalta törmäys huomataan vasta tällä ajan hetkellä

B:n kannalta D:n lähetys

huomataan tällä ajan hetkellä

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) :

lähetettyyn

–  vaikeampaa langattomissa LAN:eissa (WLAN): vastaanotetun signaalin taso voi vaihdella melkoisesti

–  ihmisanalogia: kohtelias keskustelija; lopeta puhuminen, jos toinen jo ehti aloittaa

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 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

MAC osoite

Jokaisella verkkoadapterilla (kortillla) on uniikki MAC osoite.

Verkkokorttien ja tietokoneiden valmistajat saavat käyttöönsä tietyt osoitealueet

Broadcast osoite = FF-FF-FF-FF-FF-FF (kaikki bitit ykkösiä) Kaikki vastaanottavat broadcast-kehykset

= adapteri

1A-2F-BB-76-09-AD

58-23-D7-FA-20-B0

0C-C4-11-6F-E3-98 71-65-F7-2B-08-53

LAN

(langallinen tai langaton)

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 vaihtuu kun vaihdetaan verkkoa

–  Osoite riippuu IP-aliverkosta, mihin laite on kytketty

ARP: Address Resolution Protocol

§  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

1A-2F-BB-76-09-AD

58-23-D7-FA-20-B0

0C-C4-11-6F-E3-98 71-65-F7-2B-08-53

LAN

137.196.7.23

137.196.7.78

137.196.7.14

137.196.7.88

Kysymys: Kuinka

selvitetään B:n MAC osoite kun tiedetään B:n IP-

osoite?

ARP: Sama lähiverkko

§  A lähettää IP-paketin B:lle

§  A ei tiedä B:n MAC-osoitetta

–  Ei ole ARP-taulussa

1.  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

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

ARP: toiseen lähiverkkoon

§  Lähetetään paketti A:sta B:hen R:n kautta

§  A tietää B:n IP-osoitteen

§  kaksi ARP taulua reitittimessä R, yksi kummallekin IP verkolle (LAN)

1A-23-F9-CD-06-9B 222.222.222.220 111.111.111.110

E6-E9-00-17-BB-4B

CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.112

111.111.111.111

A

222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F

222.222.222.222

B

49-BD-D2-C7-56-2A

R

ARP: toiseen lähiverkkoon

1.  A luo IP paketin: lähdeosoite A, kohdeosoite B

2.  A käyttää ARP:aa saadakseen selville R:n MAC osoitteen

–  111.111.111.110 vastaava MAC osoite

3.  A luo linkkikerroksen kehyksen ja lähettää sen

–  kohdeosoite: R:n MAC osoite –  sisältö: lähetettävä IP-paketti

4.  R dekapseloi IP-paketin kehyksestä -> näkee, että kohdeosoite on B 5.  R käyttää ARP:aa saadakseen B:n MAC osoitteen

6.  R luo linkkikerroksen kehyksen ja lähettää sen

–  Sisältö: A-B IP-paketti

–  Kohdeosoite: B:n MAC osoite

1A-23-F9-CD-06-9B E6-E9-00-17-BB-4B

111.111.111.111

A 74-29-9C-E8-FF-55

222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F

R

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 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:

Ethernet-kehyksen rakenne

§  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

Preamble SD Kohde CRC

osoite

Lähde

Osoite Pituus DATA (muuttuva pituus) Pad

7 1 6 6 2 4

Yhteensä 64 - 1518 tavua

tavua

IP-paketti otsakkeineen

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

§  3 ensimmäistä tavua (miinus kaksi ensimmäistä bittiä) on Organizationally Unique Identifier (OUI)

§  3 viimeistä tavua on valmistajan valittavissa

Ethernet-palvelu

§  Yhteydetön: Ei kättelyä (handshaking) lähettävän ja vastaanottavan NIC:in välillä

§  Epäluotettava: vastaanottava NIC ei lähetä kuittauksia (ack / nack) lähettävälle NIC:ille

–  Vialliset paketit vain hylätään

–  TCP uudelleenlähettää lopulta puuttuvat segmentit

§  Ethernetin MAC protokolla: CSMA/CD

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

–  Jokainen osallistuja (“haara”) käyttää omaa Ethernet protokollaa (solmut eivät törmää keskenään)

kytkin

Ethernetin CSMA/CD

1.  Vastaanota IP-paketti ja luo kehys 2.  Carrier Sense (CS)

–  Kanava on vapaa -> lähetä kehys

–  Kanava varattu -> odota kunnes vapaa ja sitten lähetä

3.  Collision Detection (CD)

–  Havaitaan toinen lähetys -> keskeytä lähetys ja lähetä ruuhkasignaali (jam signal)

•  Varmistetaan, että kaikki muut lähettäjät ovat selvillä törmäyksestä

4.  Jos törmäys -> exponentiaalinen peruutus (exponential backoff)

–  Adaptoidaan uudelleenlähetysyritykset arvioituun silloiseen kuormaan

•  Paljon lähetyksiä -> 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

802.3 Ethernet Standardit: linkki &

fyysinen kerros

§  erilaisia Ethernet standardeja

–  Yhteinen MAC-protokolla ja kehysformaatti

–  Erilaisia nopeuksia: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps

–  Erilaisia siirtoteitä (media): kuitu, kaapeli

sovellutus transport

verkko Linkki fyysinen

MAC protokolla ja kehysformaatti

100BASE-TX 100BASE-T4

100BASE-FX 100BASE-T2

100BASE-SX 100BASE-BX

BASE = baseband signalointi

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

Kytkin (Switch)

§  Kytkin on 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, itseoppiva

–  Kytkimen välitystaulua ei tarvitse manuaalisesti konfiguroida

Kytkin: useita samanaikaisia lähetyksiä

§  Tietokoneilla on omat suorat liitäntänsä kytkimeen

§  Kytkimet puskuroivat paketteja

§  Mitenkäs 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

A

A’

B

B’

C C’

kytkin jossa kuusi liitäntää (1,2,3,4,5,6)

1 2 3 5 4

6

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?

A

A’

B

B’

C C’

Kytkin, jossa kuusi liitäntää (1,2,3,4,5,6)

1 2 3 5 4

6

Kytkin: itse-oppiva (self- learning)

§  Kytkin oppii

–  Kun kehys vastaanotetaan, opitaan lähettäjän sijainti –  Kytkin lisää lähettäjä/sijainti

parin kytkintauluun

A

A’

B

B’

C C’

1 2 3 5 4

6

A A’

Lähde: A Kohde: A’

kytkintaulu (Switch Table) MAC osoite liitäntä TTL

A 1 60

Mihin kytkin lähettää kehyksen?

A A’

A A’ A A’

A A’

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!

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 47

Langattoman verkon (WLAN) käsitteitä

verkko- infrastruktuuri

WLAN tukiasema (Access Point)

§  Tukiasema välittää paketteja langallisen verkon ja langattomien tietokoneiden välillä toimialueellaan Keskitytään vain IEEE:n standardoimaan 802.11

WLAN:iin

§  Tietokoneita, joissa WLAN adapteri (uusissa koneissa usein osa emolevyä)

infrastruktuuri moodi

§  tukiasema yhdistää terminaalit langallisen verkkoon

§  Hand-off: terminaali

802.11 WLAN arkkitehtuuri

§  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

BSS 2 Internet

hub, kytkin tai reititin AP

AP

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 : hidden terminal, fading

–  => tavoite: vältetään törmäyksiä: CSMA/CA (Collision Avoidance)

B

C A B C

A:n signaalin C:n signaalin voimakkuus

CSMA/CA

802.11 lähettäjä

§  CS: jos vapaa kanava DIFS:n ajan

–  lähetä koko kehys (ei CD)

§  CS: jos kanava varattu

–  Aseta satunnainen odotusaika (backoff)

–  Kun laskuri nollassa ja kanava vapaa -> lähettä –  jos ei ACK, lisää satunnainen backoff väliaika,

toistetaan 2

802.11 vastaanottaja

§  jos kehys vastaanotettu OK

-  lähetä ACK SIFS odotusajan jälkeen

-  ACK tarvitaan hidden terminal-ongelman takia DIFS = DCF Interframe Spacing

SIFS = Short Interfarme Spacing SIFS lyhyempi kuin DIFS

lähettäjä vastaanottaja

DIFS

data

SIFS

ACK

CSMA/CA

Miksi DIFS ja 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

802.11: Kehys ja osoitteistus

kehys

kontrolli kesto osoite 1

osoite 2

osoite 4 osoite

3 DATA CRC

2 2 6 6 6 2 6 0 - 2312 4

seq control

Osoite 2: Lähettäjän MAC-osoite tai lähettävän AP:n MAC osoite Osoite 1: Vastaanottavan

802.11 noodin MAC-osoite tai

vastaanottavan AP:n osoite Osoite 3: MAC osoite

reitittimelle, johon AP liitetty

Osoite 4: käytetään ad hoc moodissa (Ei

AP:tä)

Internet reititin

AP

H1 R1

AP MAC addr H1 MAC addr R1 MAC addr

R1 MAC addr H1 MAC addr

kohde osoite lähde osoite

802.3 kehys

802.11: Kehys ja osoitteistus

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

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

Jatkokursseilla…

§  WPAN

–  Bluetooth, ZigBee/802.15.4

§  Liikkuvuudenhallintaa

§  Data centerit ja L2/L3

–  Optimoidut verkkoarkkitehtuurit ja protokollat

§  Virrankulutuksesta

–  Mittaaminen, mallintaminen ja optimointi

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?