Linkkikerros:
Ethernet ja WLAN
T-110.2100
Suuri osa kalvomateriaalista Ursula Holmströmiltä
Kirja 170-180
Tavoitteet
• Oppia lähiverkkoteknologiaan liittyviä käsitteitä kuten
– jaetun median käyttö
– median saanti (medium access control) – topologiat
• Tutustua eri lähiverkkoesimerkkeihin lyhyesti
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
Tyypillinen lähiverkko
• Siirtotie
• Verkkokortti
– (Network Interface Card)
• Uniikki osoite – MAC-osoite
RAM
RAM
ROM
Ethernet Processor
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
Eri tapoja jakaa yhteinen siirtotie
• Kanavajako (channelization)
– kanavajako (channelization) ja kanavointi (multiplexing) – jokainen asema saa oman osansa jaetusta siirtotiestä – sopii jatkuvaan lähetykseen
– eri lähetykset voidaan erotella esim. signaalin taajuuden mukaan (FDM) tai kullakin asemalla on oma aikaikkuna (TDM) jolloin se saa lähettää
– käsitellään tarkemmin IV periodilla teletekniikan yhteydessä
• Dynaaminen varaus (MAC schemes)
– asemat lähettävät tarpeen mukaan, törmäykset havaitaan tai niitä vältetään sovitulla tavalla – sopii purskeiselle datalle
Jaettu kanavoimaton väylä
• Mikä tahansa asema voi lähettää tarvittaessa
• Joten törmäykset ovat mahdollisia, tarvitaan strategia niiden ratkaisemiseksi
– Vuorottelu
– Kilpailu ja uudelleenlähetys Crash!!
Vuorottelu (Scheduling)
• Kilpavaraus on tehoton suurilla liikennemäärillä
• Vuorottelu (scheduling) on organisoidumpi tapa jakaa vuoroja
– varaus (reservation) – kysely (polling)
– valtuuden välitys (token passing)
Vuorottelu: Kysely (polling)
• Yksi laite hallitsee siirtotietä
• Muut lähettävät vain luvan saadessaan
Inbound line
Outbound line Host
computer
Stations
1 2 3 M
Poll 1 Data from 1
Poll 2 Data from 2
Data to M
Kysely (Polling)
• Asemat vuorottelevat siirtotien käytössä
– oikeus lähettää luovutetaan asemalta toiselle
• Joko keskitetyllä hallinnalla tai hajautetusti
• Kyselyihin kuluu aikaa - "walktime"
• Käytetään mm. joissakin kenttäväyläverkoissa
– kenttäväylä on automaatiotekniikan ohjausverkko – CAN (autot), LON (rakennukset) jne.
• Myös korkeamman tason protokollat käyttävät kyselyä
– IMAP ja POP, "olenko saanut uutta sähköpostia"
– SNMP verkonvalvonta
Vuorottelu: Valtuuden välitys
• Token kiertää verkossa
• Asema jolla on token hallussaan on valtuutus lähettää
Rengasverkko
token
token Data to M
Valtuuden välitys (Token passing)
• Rengas muodostuu ketjusta kahden aseman välisiä yhteyksiä
– jokainen verkkokortti kuuntelee liikennettä, poimii omat paketit talteen ja välittää muut eteenpäin
– verkon ei tarvitse olla fyysinen rengas, mutta asemien on tiedettävä järjestyksensä
• Valtuuden välitys ja renkaan viive
– perusmuodossaan jokaisen lähetetyn paketin jälkeen on annettava tokenin kiertää kaikkien asemien kautta ->
viive
• Teemasta on variaatioita
Kilpavaraus (random access)
• Ei sovittuja lähetysvuoroja
– lähetys satunnaisesti silloin kun on lähetettävää
• Törmäysten havaitseminen
• Tapa välttää uudet törmäykset
uudelleenlähetyksessä
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 tprop eli siirtoviive päästä päähän
• 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
CSMA-CD
• Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection
– havaitaan törmäykset
– säästetään kaistaa lopettamalla törmännyt lähetys heti
• Törmäyksen havaitseminen tapahtuu viipeellä
A B
A B
A B
MAC-yhteyskäytännöt
• Medium Access Control -protokollat toteuttavat edellä kerrottuja algoritmeja
• Tyypillisesti linkkikerroksen protokollia
• Hyvän MAC-protokollan ominaisuuksia
– pieni siirtoviive
– oikeudenmukaisuus (yksi asema ei pysty valtaamaan verkkoa)
– luotettavuus
– ominaisuudet vastaavat liikenteen ominaisuuksia – palvelunlaatu (Quality of service, QoS)
– skaalatutuvuus
– hinta (ei protokollan, vaan sen toteuttamisen hinta)
LAN standardeja
• Ethernet, Token ring, FDDI, WLAN
– MAC käytäntö – kehysrakenne – fyysinen siirtotie
• Tässä käydään läpi Ethernet ja WLAN
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:
The Ethernet
• IEEE 802.3 standard
• A limited distance LAN protocol and cabling standard
• Several physical cabling and bandwidth options
– Coaxial cable 10Base5 and 10Base2, mostly historical – All nodes connect to the same coax
– Twisted pair 10BaseT, 100BaseT
– Nodes are connected using a hub or switch
– Also optical and wireless Ethernet and gigabit speeds
IEEE 802.3 - Ethernet
• Lähiverkkostandardi
– Rajoitettu kantama
– Määrittelee kaapeloinnin ja yhteyskäytännön kehystyksineen
• Verkko on väylä
• Käytetty algoritmi on CSMA-CD
– Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection – Kukin asema odottaa vapaata hetkeä lähettääkseen – Törmäyksen sattuessa molemmat asemat odottavat
satunnaisen aikavälin verran ennen uutta yritystä
• Kaikki asemat vastaanottavat kaiken liikenteen ja
poimivat omansa sen joukosta
IEEE 802.3 - Kehysrakenne
• Preamble toistaa 10101010-kuviota
• SD aloittaa itse kehyksen tavulla 10101011
• Vastaanottajan ja lähettäjän osoitteet ovat 6 tavua
• Pituus on informaatio-kentän pituus tavuissa
• Padding varmistaa, että kehys on vähintään 64 tavua
• Tarkistussumma on CCITT 32-bit CRC kattaen osoitteen, pituuden, informaation ja paddingin
Preamble SD Destination FCS
Address
Source
Address Length Information Pad
7 1 6 6 2 4
Total 64 to 1518 Bytes
variable bytes
Ethernet Addressing
• Jokaisella verkkokortilla (NIC) on uniikki osoite (MAC-osoite)
– valmistajan kiinteästi asettama tai ohjelmistollisesti vaihdettava – 1. bitti kertoo onko kyseessä unicast (0) vai multicast (1)
– 2. bitti kertoo onko kyseessä paikallinen (0) vai globaali (1) osoite – 3 ensimmäistä tavua (miinus kaksi ensimmäistä bittiä) on
Organizationally Unique Identifier (OUI) – 3 viimeistä tavua on valmistajan valittavissa
– joukkolähetys on osoitteelle ff:ff:ff:ff:ff:ff (kaikki bitit 1)
– saman osoitteen sattuminen kahdelle verkkokortille samassa verkossa on harvinaista, mutta mahdollista
• Asema voi lähettää unicast-paketteja, monilähetyksiä tai joukkolähetyksiä
– IP ja muut protokollat tarvitsevat joukkolähetyksiä muiden samassa läheverkossa olevien asemien (ARP) tai verkkoasetuksia tarjoavien palveluiden (DHCP) löytämiseen
– Tavallinen liikenne on unicasteja
IEEE 802.3 - Fyysinen kerros
• 10base5
– 10 Mbps, thick coax, 500 m, bus
• 10base2
– 10 Mbps, thin coax, 200 m, bus
• 10baseT
– 10 Mbps, twisted pair, 100 m, star
• 100baseT
– 100 Mbps, twisted pair, 100 m, star
• 1000baseT
– 1 Gbps, twisted pair, 100 m, star
• 10baseF
– 10 Mbps, Optical fibre, 2 km, point-to-point link
• Parikaapeli on edullisuutensa takia selvästi yleisin teknologia
– kaapelin, liittimien, muiden komponenttien ja asennustyön laatuvaatimukset ovat korkeat suuremmissa kapasiteeteissa
IEEE 802.3 - Fyysinen kerros
• Keskitin (hub)
– tähtiverkko, toistaa kaiken liikenteen kaikille asemille – kaikki asemat saman siirtotien ääressä
– rajallinen määrä asemia
• Ethernet kytkin (switch)
– tähtiverkko, toistaa vain tarvittavan liikenteen
– yleensä oppii mikä MAC-osoite on missäkin liittymässä – erilliset törmäysalueet
– verkon kokoa voidaan kasvattaa
– suurempi siirtokapasiteetti kuin keskitin-pohjaisella verkolla
• Silta
– yhdistää Ethernet-lähiverkkoja (ei välttämättä hyvä idea) – mahdollistaa pitkän kantaman yhteydet
– kehys otetaan vastaan kokonaan ja välitetään toiseen verkkoon – välittää vain tarpeellisen liikenteen (myös joukkolähetykset)
Ethernet Hubs & Switches
(a) z z z z z
z
Single collision domain
(b)
z z z z
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
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,
tietomurto, palveluesto mahdollisia
– Taajuuskaistan rajallisuus ja viranomaisrajoitukset
Wireless LAN
• After wired LANs, e.g. Ethernet, became popular, wireless options were requested
– Easier network installation
– Laptops imply the need for limited mobility
– Full mobility, like the cellular systems provide, is usually not as important
• Currently the dominant standard is the IEEE 802.11 family – An Ethernet-like local radio network with a range of ~60 m and
data rates of 1 - 54 Mbps
– The 802.11b (2-4 Mbps) and 802.11g (~20 Mbps) standards are currently significant
• WLAN business
– Hotspots (APs) in restaurants, cafes etc.
– Free, or charging can be based on credit card numbers or telco SIMs (connection to HLR/AuC in GSM/3G network)
802.11b
• A.k.a. Wi-Fi (a marketing name of Wi-Fi alliance, which certifies products)
• Operates at the 2.4 GHz band
– License free in most countries
– Exact spectrum depends on national allocation,
equipment needs to know in which country it operates – Also 100mW in Europe, 1W in USA
• Maximum bit rate 11 Mbps
– 1, 2 or 5 Mbps in practice
• Now being superseded by IEEE 802.11g
– 20+ Mbps, up to 54 Mbps – in the 2.4 GHz band.
WLAN Modes
• Ad-Hoc
– No structure
– All nodes connect point to point – No relaying
– Called Independent Basic Service Set
• Access Point mode
– Infrastructure base station
– All traffic from a node to the access point – A single AP is called Basic Service Set
– The AP is configured to operate on a certain channel – The stations scan the channels looking for the AP
• Both access points and stations in ad-hoc mode are identified by SSID (Service Set Identification)
– Commonly referred to as "network name"
Hidden Node Problem
A transmits data frame (a)
Data Frame Data Frame
A
B C
C transmits data frame &
collides with A at B,
C does not detect the collision (b)
C senses free medium, station A is hidden from C Data Frame
B A C
• New MAC algorithm: CSMA with Collision Avoidance
The Hidden Node Problem
• CSMA/CA
– Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance – The 802.11 WLAN family is a lot like the Ethernet (802.3) – The Collision Detection in the Ethernet CSMA/CD has been
replaced with Collision Avoidance
• Two stations can see the AP, but are located too far to sense each other's transmissions
– On the co-axial Ethernet all stations can sense each other
• If the stations transmit simultaneously, the AP can not resolve the colliding data
• Thus a station sends first a Request To Send (RTS) to the AP
• The AP replies with a Clear To Send (CTS)
• Also, the data is acknowledged (ACK) when received
Handovers
• If several APs provide access to a same IP subnet, the node may select a new access point while keeping its IP address
– In WLAN terminology this is called "roaming"
– Compare to cellular roaming, which means that a mobile station is visiting a different network
– Called Extended Service Set (ESS) – Must be activated at the APs
• Access point re-selection is usually activated by the stations software, when it detects that the AP signal is weak
– The station scans the channels for a stronger AP with same SSID
• Currently deployed WLAN technologies do not support true mobility
WLAN Security
• Radio networks are by default unsecure
• Simple access can be limited based on the station's MAC address
– This can be circumvented by attackers
• Originally a Wired Equivalent Privacy (WEP) protocol was supposed to provide security
– A shared secret of 40 or 128 bits between the stations and access point
– Several major problems have been found in the WEP
• 802.11i is a new mechanism,
– Wi-Fi Protected Access (WPA) is a marketable subset of this
• Many prefer to use IPSec, SSH, SSL and other higher level security mechanisms
Other Local Area Networks
• IEEE 802.5 Token Ring
– 4Mbps tai 16 Mbps
– Twisted pair cabling in a physical star, logical ring
• FDDI
– 100 Mbps up to 200 km
– Fiber Distributed Data Interface – Optical fiber in a ring
• Asynchronous Transfer Mode (ATM)
– 54 Mbps with various cabling options – Intended for telecoms infrastructure
Other Wireless Networks
• Bluetooth
– A Personal Area Network (PAN)
– Range of ~10 m, connects personal devices – Data rate of ~ 1/2 Mbps
• IEEE 802.16 family
– Broadband Wireless Access (wireless T1) – Range of ~ 20-50 km
– WiMAX is the industry advocacy group for these – Might be of interest to for example the rural areas
